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35GHz毫米波和单纯热环境辐射小鼠的生物学效应

李志慧  
【摘要】:毫米波是波长为1~10 mm、频率为30-300 GHz范围内的电磁波。目前关于毫米波的研究主要集中在35 GHz、60 GHz和94 GHz等几个毫米波频率窗口,且多用于康复医学(理疗)和军事领域。毫米波的主要特征是穿透能力小,在蒸馏水中的穿透深度仅为0.78~0.23 mm,而短时间照射人体和动物时,只能透过组织表面的浅层到达真皮的乳头层和网状层,造成角膜、皮肤等的损伤,而且毫米波在传播过程中易受不同介质的影响。但是,高功率毫米波在短时间(数秒)内却能使皮肤产生一种烧灼般的刺痛感,且一关掉毫米波发射器或离开毫米波所照射的范围,这种感觉就会消失,因而毫米波可实现快速趋避效应,达到不造成人员伤亡的情况下可快速驱散人群的效果。因此,本文主要以毫米波为研究对象,初步进行了毫米波照射致死小鼠实验和持续急性热辐射致死小鼠实验研究,旨在获得高功率毫米波照射致死小鼠不同组合的阈值参数(功率密度、照射距离和照射时间的致死参数)、持续急性热辐射致死小鼠的时间及存活时间与辐射温度之间的变化规律和相应的组织病理和形态变化,以初步阐述毫米波和单纯热辐射对小鼠的致死效应,并为后续深入研究毫米波的趋避效应提供参考。 为了研究34.1 GHz高功率毫米波照射致死小鼠的阈值参数和组织病理及形态变化的特征,首先将小鼠以正常体位(背上腹下)束缚于木质平板上,置于工作频率为34.1 GHz、平均输出功率分别为5 W、10 W和12 W的高功率毫米波照射源垂直下方,照射距离分别为10 mm和20 mm,持续照射小鼠直至死亡。立即解剖取皮肤、肺和大脑等组织,用0.9%的生理盐水快速漂洗后,放入10%的甲醛溶液中固定,用石蜡浸泡、包埋并制备组织切片。进行HE染色、CCD照相后,采用IPP图像分析软件,利用整合平均光密度和面积比的显微图像定量分析方法对肺部进行病理特征分析。结果显示,在HD-320-HA23.16和HD-320-HA9.92型号角锥喇叭天线照射下,较高平均功率(12 W)连续照射最快可致动物110 sec内死亡;而较低平均功率(5 W)连续照射,则可在30 min内导致动物死亡。受照射后死亡动物肺部均见明显出血现象;但在不同参数组合的毫米波照射条件下,肺部出血程度不同。其中,当平均功率为10 W和12 W时,小鼠肺部出血程度最严重,且肺部支气管和血管有明显的破裂现象,支气管中也可见巨噬细胞。而当平均功率为5 W时,肺部出血程度明显减轻,且支气管和血管无严重的破裂现象。因而,高功率毫米波急性照射可导致小鼠肺部有出血等损伤,肺组织损伤程度与毫米波照射呈显著正相关,平均功率越大则小鼠肺损伤越严重。由于本研究使用的高功率毫米波具有极强的热效应,推测急性、快速热效应所致小鼠的肺损伤可能是动物致死的重要原因。 为了进一步深入研究毫米波的生物效应,我们利用烤箱辐射模拟毫米波照射的热效应。首先,设置不同的辐射温度辐射Balb/c小鼠,直到其死亡为止。具体研究是将动物置于烤箱内,分别设定环境温度为43~61°C(以2°C递增)进行急性持续热辐射,直至小鼠死亡。及时记录小鼠的死亡时间和小鼠死亡前后的体重。立即解剖,先将少部分去除毛发的小鼠背部皮肤和大脑组织用0.9%的生理盐水快速漂洗后,放入10%的中性甲醛溶液中固定,并用石蜡浸泡、包埋并制备组织切片。进行HE染色、CCD照相后,采用IPP图像分析软件,分析皮肤组织的损伤情况和大脑皮层神经元的损伤程度。结果显示,小鼠的存活时间与辐射温度之间呈现非常显著的指数函数关系,其R值可达到0.9994;当预设的辐射温度不同时,辐射前后小鼠的体重也各有的差异;但是,与对照组相比,小鼠体重在辐射前后均呈现极显著差异;热辐射也能够使小鼠的皮肤结构改变或受损,而且也会使大脑皮层的神经元固缩。总言之,动物存活时间的长短与持续急性热辐射温度的高低有非常显著的相关性。此外,持续急性热辐射不仅对动物的体重有影响,且对不同组织也有相当大的影响。 另外,为了从分子水平验证热辐射对小鼠的影响,先将大部分去除毛发后的小鼠背部皮肤于0.1% DEPC水中快速漂洗后,置液氮中保存。提取总mRNA并反转录,PCR扩增与热应激相关的基因并对各基因的表达强度进行分析,结果发现hsp70、krt6α和thbs1等基因的表达在不同辐射温度下均呈明显上调趋势。其中,hsp70的表达在环境温度低于55℃时急剧上调,而在高于57℃以上时表达上调相对趋缓;而krt6α和thbs1的表达上调程度则与温度变化无关。此外,hsp105的表达在较低温度(51℃以下)时,随着温度的上升呈现上调趋势;而在较高温度(53℃以上)时,却无明显差异。由此可见,不同强度急性热辐射对小鼠皮肤热应激相关基因的表达有显著影响,且不同基因的表达模式与辐射温度之间的相关性各有差异。同时,根据两重PCR分析结果可见,hsp70可作为量化不同强度热辐射损伤的分子标记,为从分子水平上鉴定和量化不同组合参数毫米波照射小鼠的损伤实验奠定了良好的基础。 综上所述,本文主要是利用毫米波照射和烤箱热辐射两种方法对小鼠进行致死效应的相关研究,通过对不同参数组合(喇叭天线、输出功率和照射距离)毫米波对致死小鼠进行分析,初步获得致死小鼠的阈值参数,尤其获得了毫米波对致死小鼠肺部的损伤特征;通过烤箱模拟毫米波照射实验,得到不同辐射温度下小鼠的致死时间和对各组织的病理变化特征,更重要的是获得辐射温度与存活时间之间的规律及相互联系,为后续深入研究毫米波照射的生物效应研究奠定了基础。


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