亚磁环境下小鼠生理及运动能力的适应性变化与天人相应理论

刘炳君 赫荣乔 王焱冰 胡平东 王秀梅 刘 缨

(1 北京中医药大学生命科学学院,北京,102488; 2 中国科学院生物物理研究所脑与认知国家重点实验室,北京,100101; 3 中国科学院生物物理研究所大分子国家重点实验室,北京,100101)

“天人相应”理论是中医药学理论重要的组成部分,《灵枢·岁露》载:“人与天地相参也,与日月相应也。”提示人能够对自然界的影响作出相应的反应而保持稳态[1]。人类生活在由太空天体和地球综合形成的时空磁场中,人体也是一个磁体,存在着心磁场、肺磁场等弱磁场,人体磁场与时空磁场的共振和合既是“天人相应”的重要体现,又是利用现代技术探索其生物学基础的重要内容。磁场属于自然环境中重要的一部分,随着航天科技及医疗条件的进步,磁场对人类健康的影响以及磁场效应的医学应用成为近几年的研究热点[2-5]。在脱离了地球环境的太空航行中,人类需要在亚磁场环境中生存,对亚磁效应的评估和预防是航天生命保障必须考虑的问题[6]。

相比其他空间因素如空间辐射和微重力的生物效应研究,用于风险评估的亚磁效应动物研究报道较少,且由于实验对象和实验条件的不一致,导致获得的结果难以相互印证。目前亚磁场的地面模拟技术有2种:亥姆霍兹线圈系统(Helmholtz Coil System,HCS)和坡莫合金[7]亚磁系统(Permalloy Hypomagnetic System,PHS)在pubmed查找不到这些英文和英文缩写(HCS的缩写来源于引用文献11,Permalloy来源于文献7)。HCS能够产生与环境地磁场方向相反的磁场,形成补偿式亚磁环境。由电流提供的磁场大小和方向可控,补偿地磁场得到的亚磁环境相对较小,对交变磁场的补偿能力有限[8]。PHS利用一种高导磁材料将磁力线沿材料引开,从而屏蔽腔体内的磁场。这种方法能够提供的磁场屏蔽空间更大,并且能够同时屏蔽稳态磁场和交变磁场,对于环境中的电磁干扰也有很好的屏蔽效果[9]。CHOLERIS等[10]分别采用PHS和HCS(<400 nT)试验,发现亚磁场对CD1小鼠的痛觉影响具有时间效应。早在1968年,BUSBY[11]报道了在PHS环境中饲养4个月的瑞士/韦伯斯特小鼠及其后代的运动能力比地磁环境的对照组更弱。1989年,俄国科学家发现60 d的PHS亚磁场曝露能够导致Wistar大鼠的运动能力、耐力等下降[12];FU等[13]也使用小鼠独立观察到类似的效应。本实验室前期研究表明,使用HCS处理C57小鼠30 d后,即出现其运动能力、耐力及身体协调能力等明显下降[14]。由此可见,对亚磁曝露安全时长的确定还需要综合分析。要获得对哺乳动物长时间曝露于亚磁场时的生理及运动能力等方面的效应还需要统一实验对象、条件系统研究。

因此,本实验采用前期自主研发构建的HCS和PHS 2种不同的亚磁场模拟动物培养装置,系统比较不同亚磁环境下雄性C57BL/6小鼠的生理及运动能力等指标随处理时间的变化。揭示不同亚磁环境下小鼠长期磁响应的规律,将有助于进一步了解地磁场的生物作用,阐释天人相应理论的生物学基础,为亚磁危害的评估和干预提供必要的实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 动物 8周龄的成年雄性C57BL/6小鼠(北京斯贝福生物技术有限公司提供,动物许可证号:SYXK2019-06)共60只,体质量(23±1)g。每笼饲养5只动物,为防止金属对磁场的影响,小鼠饲养笼盖子为塑料材质。在12 h昼夜周期条件下饲养(8:00关灯,20:00开灯),温度(20±2)℃,换气频率:30次/h,湿度40%～60%。本研究通过北京中医药大学伦理委员会审批(伦理审批号:BUCM-4-2018052101-2074)。

1.1.2 仪器 亚磁系统:本文采用补偿式HCS和屏蔽式PHS构建的不同亚磁环境以及相应的地磁场环境。HCS(中国科学院生物物理研究所和空间科学应用研究中心共同研发,型号:CAS-20121564)是6个置有铜线的圆形木质框形成直径2 m的三轴线圈结构。通过反馈式磁场补偿系统,将线圈中心的地磁场补偿至零(日变化小于50 nT)。动物饲养在线圈内部的亚磁场中(<500 nT的区域),其对照组的动物被饲养在同一房间的木桌上,离线圈约1.5 m远。见图1。PHS(中国科学院生物物理研究所和空间科学应用研究中心共同研发,型号:CAS-20121748)分为坡莫合金屏蔽箱和地磁对照箱2部分。坡莫合金屏蔽箱能够屏蔽外界的稳态磁场和交变磁场,得到深度屏蔽的亚磁场环境。地磁对照箱则是用来放置地磁对照组小鼠。见图2。实验体系中的静态磁场和交变磁场,分别由高精度磁通门磁强计(中国科学院空间技术与应用科学中心,型号:CAS-3AFM)和感应式交变磁强计(中国计量科学研究院,型号:CCG-1000)测量。具体磁场条件见表1。

表1 亥姆霍兹亚磁系统磁场条件

图1 亥姆霍兹亚磁系统

图2 坡莫合金亚磁系统

其他仪器:转棒仪(Harvard Apparatus公司,美国,型号:LE8205),跑步机(Harvard Apparatus公司,美国,型号:Panlab),热板仪(Harvard Apparatus公司,美国,型号:Hot-Plate Thermal Analgesia Meter),血糖仪(Accu-Chek公司,德国,型号:智航血糖仪),血糖试纸(Accu-Chek公司,德国,型号:智航血糖试纸)。

1.2 方法

1.2.1 分组与模型制备 8周龄成年雄性C57BL/6小鼠60只,适应性饲养7天后,按照体质量2:1随机分为亥姆霍兹亚磁组、亥姆霍兹对照组、坡莫合金亚磁组、坡莫合金对照组。亥姆霍兹亚磁组、亥姆霍兹对照组,每组20只小鼠,坡莫合金亚磁组、坡莫合金对照组,每组10只小鼠。使用磁强计测量2种亚磁场系统的磁场,计算出磁场总量,分别将各组在相应的磁场环境中处理1个月、3个月、12个月、24个月后进行小鼠行为学检测,并在处理24个月后进行小鼠生理指标检测。

1.2.2 检测指标与方法 1)生理指标检测:不同磁场处理24个月后,对小鼠的饮水和饮食消耗量及小鼠体质量进行统计。小鼠禁食不禁水12 h,取小鼠尾静脉血滴在血糖试纸上,将试纸放在血糖仪的感应区域测量空腹血糖。2)热板仪实验:调节热板温度至55 ℃,将待测小鼠快速放于热板上,仔细观察其行为,当小鼠出现快速抖动后足或舔舐后足的行为时,迅速按下计时器,每只小鼠试验3次,每次间隔30 min,取其平均值作为最终结果。3)跑步机实验:设备由转动的传送带、4个独立通道、一个控制器和电击器组成。实验开始第一阶段,传送带和电击关闭,小鼠放置在通道中自由探索,每个通道1只,总共持续15 min。第二阶段,将传送带速度设置为5 cm/s,电刺激系统设置为0.2 mA,使动物热身5 min。第三阶段,在低速运行的基础上,传送带每10 s加速(0.1 cm/s),最大速度为50 cm/s。在此阶段,当小鼠连续遭受电击超过5 s不离开,或连续3次遭受持续2 s的电击,判断为小鼠力竭。在传送带上跑动的时间或总距离反映小鼠的运动能力。4)转棒实验:用来检测动物的身体协调能力,实验分训练阶段和测试阶段。首先,小鼠先以4 r/min的低速在旋转杆上保持平衡进行适应性训练3 d,每天训练3次,每次10 min,实验间隔2 h。第4天进行正式实验,速度为4～40 r/min,5 min内匀加速,记录每只小鼠掉落潜伏期,共进行3轮,取3次实验结果的平均值。

2 结果

2.1 24个月亚磁场曝露导致小鼠饮水、饮食量增加,空腹血糖水平下降 结果显示,与亥姆霍兹对照组、坡莫合金其对照组比较,亥姆霍兹亚磁组、坡莫合金亚磁组饮水量均显著增加(P<0.05,P<0.01),饮食量有上升趋势。处理24个月后,亚磁场中的动物体质量没有出现显著变化。坡莫合金亚磁组小鼠的空腹血糖水平较其他3组均明显下降(P<0.05,P<0.01,P<0.001)。见图3。

图3 24个月亚磁场曝露对小鼠饮食饮水、体质量及血糖的影响

2.2 亚磁处理对小鼠热痛觉敏感性的影响 通过长时间动态检测发现,亚磁场处理小鼠1个月后并没有表现出痛觉敏感度的差异。3个月时,坡莫合金亚磁组的热痛觉敏感性明显高于亥姆霍兹对照组、坡莫合金对照组,差异有统计学意义(P<0.01,P<0.05)。随着处理时间的延长,效应变得更加显著,12个月时,亥姆霍兹亚磁组和坡莫合金亚磁组在热痛觉敏感度上均高于亥姆霍兹对照组、坡莫合金对照组,差异有统计学意义(P<0.000 1,P<0.01)。坡莫合金对照组小鼠的热痛觉敏感程度要显著高于亥姆霍兹对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。24个月时,坡莫合金亚磁组小鼠热痛觉敏感性明显高于亥姆霍兹亚磁组,差异有统计学意义(P<0.05)。另外,观察其余各组发现亚磁场的效应出现减弱。见图4。

图4 长期亚磁曝露对小鼠热痛觉敏感性的影响

2.3 亚磁场处理对小鼠运动能力的影响 我们采用跑步机实验来评估亚磁场对小鼠运动能力的影响。结果显示,亚磁场处理1个月时,小鼠的运动能力较其对照组差异无统计学意义(P>0.05)。3个月时,亥姆霍兹亚磁组小鼠运动能力明显低于亥姆霍兹对照组,差异有统计学意义(P<0.05),且坡莫合金对照组运动能力明显小于亥姆霍兹对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。12个月时,效应变得更加显著,2种亚磁处理组小鼠运动能力均显著下降,差异有统计学意义(P<0.05),且坡莫合金亚磁组及其对照组小鼠运动能力明显低于亥姆霍兹亚磁组及其对照组,差异有统计学意义(P<0.001)。24个月时,亚磁场的效应减弱,差异无统计学意义(P>0.05)。见图5。

图5 亚磁场处理对小鼠运动能力的影响

2.4 亚磁场处理对小鼠身体协调能力的影响 结果发现,亚磁场处理1个月未对小鼠协调能力产生影响。3个月时,亥姆霍兹亚磁组小鼠身体协调能力较其对照组显著下降,差异有统计学意义(P<0.05),坡莫合金对照组小鼠身体协调能力较亥姆霍兹对照组显著下降,差异有统计学意义(P<0.01)。12个月时,效应同样更加显著,2组亚磁场模拟组小鼠的身体协调能力均低于其对照组,差异有统计学意义(P<0.01),且坡莫合金亚磁组及其对照组小鼠的身体协调能力明显低于亥姆霍兹亚磁组及其对照组,差异有统计学意义(P<0.05,P<0.01)。24个月时,亚磁场的效应减弱。见图6。

图6 亚磁场处理对小鼠身体协调能力的影响

3 讨论

“天人相应”理论认为自然环境的变化规律与人本身的生理调控机制是相互呼应的,强调天地之变化与人的生理病理改变具有统一性[15]。磁场是一种能量场,是自然环境中重要的组成部分,对生物的生命活动产生影响。随着人类航天计划向深空探测的扩展,宇航员需要脱离地磁场,在“亚磁场”环境中长期生存。但亚磁生物学效应研究不足,特别是关于亚磁环境长时间曝露的影响研究较为缺乏,并且由于现有文献[8]中亚磁场构建方式、参数、曝露时长、研究对象及指标不同,导致研究结果之间参考性弱,难以重复。研究同一条件下亚磁场对动物生理和运动能力的影响和变化规律不仅将为建立亚磁效应风险评估标准提供必要基础数据,对利用磁场进行临床干预或对宇航员健康维护具有重要的应用价值,还将有助于明确地磁场的生物学功能,为“天人相应”理论提供生物实验依据。

莫炜川等[16]以HCS(<500 nT)处理小鼠1个月后,小鼠热痛觉敏感性显著上升。小鼠的痛觉阈值具有昼夜节律性,松果体及其分泌的褪黑激素与痛觉昼夜节律有密切关系[17-18],因此,本实验1个月时与相关热痛觉敏感检测结果有差异,推测可能与实验者检测时间的不同有关。早在2000年,DEL等[19](<100 nT)发现短期亚磁场暴露对小鼠具有镇痛作用;PRATO等[20]以PHS亚磁环境(<1 μT),每天处理小鼠1 h,连续10 d后,发现小鼠热痛觉敏感度降低。短期的结果与长期亚磁场处理的结果不同,推测是动物短时间感受亚磁场后产生的应激效应,随着本实验中处理时间的延长,3个月时,小鼠热痛觉敏感性显著上升,说明动物的短期应激效应慢慢转变成了动物调节后的状态;12个月时,小鼠的痛觉敏感性上升更加明显,说明动物调节后的状态随着时间的延长出现了加强,也说明该效应强度与亚磁场曝露时长正相关;24个月时,亚磁场的效应出现减弱,说明动物在亚磁场的环境出现了适应后的状态。

LEVINA等[21]发现饲养在亚磁场中的大鼠的行为能力和耐力出现显著下降,随后又有研究报道果蝇、C57小鼠在亚磁场中运动能力下降等现象[22-23]。本实验发现HCS和PHS 2种不同的亚磁场模拟方式经1个月的亚磁场处理未导致小鼠的运动能力发生明显变化,这与实验室先前的研究结果有差异,我们推测是由于实验时使用不同批次的小鼠导致。而随着本实验中亚磁处理时间的不断延长,小鼠运动能力及身体协调能力表现出与本实验中不同时间点小鼠热痛觉敏感性类似的趋势:3个月时,小鼠的运动能力及身体协调能力出现明显下降,12个月时,上述效应更强,说明该效应强度也是与时间的累积成正比;24个月时,上述效应则出现了减弱,我们推测这也是动物对亚磁环境适应了之后的状态。高强度运动诱导的疲劳可提高痛觉阈值[24],运动能力减弱是否也与亚磁暴露小鼠的热痛觉敏感性增加有关有待进一步研究。REN等[25]曾做过动物对地磁场的感应依赖光照条件的研究,为了更好地区别出不同磁场屏蔽方式的差别,我们将坡莫合金亚磁组和坡莫合金对照组设置为无光环境。我们发现PHS所构建的亚磁场环境在小鼠的热痛觉敏感性、运动能力及身体协调能力方面的效应更为明显,该差异可能与本文PHS的无光设置相关。另一方面,我们还发现一个有趣的现象,单独屏蔽光照的地磁场环境能使小鼠的热痛觉敏感度明显升高,且能够使小鼠的运动能力和平衡协调能力明显下降。而本实验的结果也证实了单独屏蔽光照能够减弱动物对地磁场的感应从而达到了类似于亚磁场的效果,表明光照屏蔽能够加强长期亚磁效应,光照调节可能是挽回亚磁效应的有效途径。

我们还发现亚磁处理24个月后小鼠饮水饮食量均有增加,但体质量没有出现显著变化,小鼠空腹血糖结果显示坡莫合金亚磁组小鼠血液中葡萄糖含量最低。葡萄糖作为细胞主要产能物质,维持着细胞正常的生命活动[26]。骨骼肌作为胰岛素刺激糖摄取的最大靶器官,消耗全身约80%的葡萄糖[27-28]。血糖水平下降可影响骨骼肌的能量产生,使骨骼肌有氧呼吸产能不足,导致运动能力下降[29]。因此,我们推测亚磁场处理可能通过影响小鼠的葡萄糖代谢水平,从而导致小鼠运动能力下降。

综上所述,本实验采用HCS和PHS这2种不同的亚磁场模拟方式,通过长时间的动态分析,系统检测了长期不同亚磁场处理对小鼠的生理及运动能力等方面的影响,发现3个月和12个月的长期亚磁场曝露会导致小鼠热痛觉敏感性升高,运动能力和身体协调能力下降,且具有时间累积效应;PHS所构建的同时屏蔽交变磁场和稳态磁场的环境能够提供更强于HCS构建的只屏蔽稳态磁场的效果。单独屏蔽光照能够加强长期亚磁效应,我们推测光照调节可能是挽回亚磁效应的有效途径;继续将处理延长至24个月,亚磁组小鼠的差异下降。各项指标从短期应激,到效应累积、适应的动态变化也与“天人相应”不谋而合,外环境的改变能够导致动物健康状态的失衡,而随着动物对环境的适应,失衡的健康状态又再次与外在的环境达到统一。本研究结果对于从亚磁场角度阐释和阐释天人相应理论的科学内涵具有重要参考价值,还对于认识亚磁场效应的作用时间点、筛选相应亚磁场效应的有效参数,为认识亚磁场对动物生理及运动能力方面的影响,以及宇航员长时间深空探测的健康安全监测指标选择提供重要的实验依据和参考。

利益冲突声明:无。