穩(wěn)態(tài)磁場抑制腫瘤細胞增殖及其機制研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代電器的發(fā)展和日益普及，以及磁共振成像等設(shè)備在醫(yī)院中的廣泛應(yīng)用，磁場對人類健康的潛在影響引起人們的日益關(guān)注。雖然國際上已有磁場對生物體細胞影響的初步研究，但是對于磁場的各種參數(shù)，以及所研究細胞的各種差異并沒有系統(tǒng)性的分析。此外，相較于時變磁場而言，穩(wěn)態(tài)磁場的變量較少，更利于從基礎(chǔ)水平上研究磁場對生物體作用的細胞與分子機制，因此利用穩(wěn)態(tài)磁場從機理上研究磁場的生物學效應(yīng)更具優(yōu)勢。借助于中科院強磁場科學中心在9T超導磁體及27T水冷磁體

2、上搭建的穩(wěn)態(tài)磁場下細胞生物學研究的專用平臺以及生物化學和分子生物學等研究手段，我們探討了穩(wěn)態(tài)磁場對腫瘤細胞增殖的影響和分子機制，即中等強度穩(wěn)態(tài)磁場通過抑制EGFR蛋白激酶活性影響腫瘤細胞增殖，超強穩(wěn)態(tài)磁場還能改變有絲分裂紡錘體取向，具體的研究結(jié)果如下:
　　1.中等強度穩(wěn)態(tài)磁場通過影響EGFR激酶活性抑制腫瘤細胞增殖，且與細胞種類和密度相關(guān)。
　　EGFR（Epidermal Growth Factor Receptor，表

3、皮生長因子受體）是一種屬于ErbB/HER家族的170kDa的跨膜糖蛋白受體酪氨酸激酶，由表皮生長因子(EGF)激活，影響細胞的生長與分化。EGFR廣泛存在于多種正常細胞和癌細胞中，許多腫瘤的發(fā)生發(fā)展均伴隨著該蛋白的過度表達與自我活化，因此EGFR也是多種抗癌藥物的作用靶點。目前已有研究表明工頻磁場和脈沖磁場均會對EGFR活性及其下游信號通路造成影響，但穩(wěn)態(tài)磁場是否會對其產(chǎn)生影響及其機制還不清楚。首先我們將純化的EGFR激酶區(qū)蛋白置于不

4、同場強穩(wěn)態(tài)磁場(0、0.005T、0.05T、0.1T、0.7T、1T)中進行體外磷酸化實驗，發(fā)現(xiàn)其磷酸化水平隨著場強的升高而降低，表明穩(wěn)態(tài)磁場在體外能夠直接抑制EGFR激酶區(qū)的活性。為了直觀了解EGFR激酶區(qū)分子在磁場中的變化情況，我們利用先進的液相掃描隧道顯微鏡(L-STM)獲得了該蛋白在溶液條件下的高分辨率的單分子圖像，而且還觀察到在穩(wěn)態(tài)磁場中其分子取向發(fā)生改變。這種改變會影響EGFR蛋白單體之間的相互作用，進而影響其活性。利用分

5、子動力學模擬，我們發(fā)現(xiàn)在1-9T穩(wěn)態(tài)磁場中，隨著場強的升高，溶液中EGFR蛋白分子平行于磁場方向排列的比例也逐漸增大。細胞實驗中，我們發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)磁場能夠抑制人鼻咽癌細胞CNE-2Z和人結(jié)腸癌細胞HCT116的增殖。此外，我們構(gòu)建了過表達外源EGFR的中國倉鼠卵巢細胞穩(wěn)轉(zhuǎn)細胞系CHO-EGFR-Flag，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)磁場能夠抑制CHO-EGFR-Flag細胞增殖，卻不影響CHO細胞的生長。我們的發(fā)現(xiàn)證實了穩(wěn)態(tài)磁場能夠通過影響EGFR蛋白的活性進

6、而抑制腫瘤細胞的增殖。此外，研究過程中我們還發(fā)現(xiàn)細胞的種類與生長密度也會影響中等強度穩(wěn)態(tài)磁場對其增殖所產(chǎn)生的效應(yīng)，而且與EGFR-Akt-mTOR信號通路有關(guān)。
　　2.27T超強穩(wěn)態(tài)磁場影響人類細胞有絲分裂紡錘體。
　　研究表明，生物體的主要組成部分，例如蛋白質(zhì)、DNA等都具有磁性，而磁場能夠通過影響大分子的排布與組裝從而改變多種生命進程。真核細胞內(nèi)重要的細胞骨架蛋白微管蛋白便會受到穩(wěn)態(tài)磁場的影響，該蛋白參與調(diào)控許多重要的

7、生命活動，如細胞分裂、細胞遷移等。體外實驗表明純化的微管蛋白因其具有的抗磁各向異性在穩(wěn)態(tài)磁場中會沿著磁場方向排列。然而真核細胞中由微管蛋白構(gòu)成的有絲分裂紡錘體在穩(wěn)態(tài)磁場中的排布是否會發(fā)生變化目前還未見報道，尤其是高于20T超強穩(wěn)態(tài)磁場對哺乳動物細胞的效應(yīng)還是未知的。我們搭建了國內(nèi)首個適用于27T水冷磁體的細胞培養(yǎng)裝置，利用27T超強均勻穩(wěn)態(tài)磁場處理人鼻咽癌細胞CNE-2Z和人視網(wǎng)膜上皮細胞RPE1。我們發(fā)現(xiàn)在處理4小時之后，CNE-2Z

8、細胞的形態(tài)及數(shù)量均未發(fā)生明顯變化，但是撤磁后繼續(xù)培養(yǎng)細胞三天后，加磁組CNE-2Z細胞數(shù)目減少了約40％。為了深入了解其機制，我們將研究重點集中于有絲分裂紡錘體上，當磁場方向垂直于細胞基底時，發(fā)現(xiàn)27T穩(wěn)態(tài)磁場處理4小時之后紡錘體長軸取向發(fā)生明顯變化，其長軸傾向于平行于磁場方向排列，導致其與基底形成較大的夾角。進一步更加細致的研究之后我們發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)磁場產(chǎn)生的磁力矩同時作用于紡錘體和染色體，而最終紡錘體長軸的傾向則取決于作用于兩者的磁力矩

9、的大小。我們使細胞基底平行于磁場方向，發(fā)現(xiàn)27T穩(wěn)態(tài)磁場處理4小時后，有絲分裂前中期細胞的紡錘體長軸傾向于平行于磁場方向;然而有絲分裂中期細胞的染色體（赤道板）傾向于平行于磁場方向，進而使得紡錘體長軸垂直于磁場方向分布。此外我們還發(fā)現(xiàn)27T穩(wěn)態(tài)磁場改變了紡錘體的形態(tài)特征。
　　綜上所述，我們探索了穩(wěn)態(tài)磁場對腫瘤細胞增殖的影響，并且從兩個方面研究了其中的機制。經(jīng)過了一系列的實驗，我們發(fā)現(xiàn)中等強度和強穩(wěn)態(tài)磁場能夠通過改變EGFR激酶區(qū)