不同强度工频磁场对皮层神经元瞬时外向钾离子通道的影响#
 

摘要：人们对电磁辐射越来越关注，但是工频磁场产生的生物效应并不确定.本研究选用1mT、5mT、10mT 的工频磁场照射急性分离的小鼠皮层神经元（15min），应用全细胞膜片钳技术离线记录瞬时外向钾通道电流，研究工频磁场对离子通道的影响.结果显示：（1）工频磁场抑制通道的电流密度并且1mT、5mT 及10mT 工频磁场的抑制率分别为63%±2.2%、55%±1.7%和38%±1.8%.（2）工频磁场影响离子通道的激活和失活特性，半数激活电压和半数失活电压变小.（3）不同强度工频磁场对离子通道产生的影响程度不同，其中1mT 工频磁场对通道电流的抑制率最大，5mT 工频磁场对通道的半数激活电压和半数失活电压影响最大，10mT 工频磁场增大了通道的失活斜率因子.研究结果表明工频磁场影响了细胞膜上离子通道蛋白构象的变化，进一步影响了离子通道的正常功能.
 

关键词：工频磁场； 瞬时外向钾通道；神经元

0 引言
电气设备在人们生活中扮演着重要的角色，工频磁场暴露与健康的关系亟待解决.早期流行病学调查显示，工频电磁场暴露可导致儿童白血病发病率升高[1-3]，并且与癌症的发病率有关[4-5]，但也有报道显示磁场暴露与多数癌症的发生无关[6-7].在细胞水平上，研究表明工频磁场对细胞的增殖[8]、分化[9]与凋亡[10-11]均有一定的影响，Vijayalaxmi 等进一步[12]对工频磁场是否引起细胞遗传毒性效应的研究成果（1990-2003）进行了统计，将DNA 链断裂、染色体畸变的发生率、微核及姐妹染色体的变化作为评估标准，调查结果显示工频磁场对细胞基因遗传毒性的效应并不确定.随着科学技术的发展，生物体内大分子也成为工频磁场生物效应的一个研究方向，一些试验结果表明工频磁场可能增加自由基和氧化物的浓度[13-15]，并且改变酶的活性及钙离子的浓度[16-18]等.

尽管开展了大量的关于磁场生物效应的研究，但是结果仍然存在争议，工频磁场生物效应的不确定性与试验方法、实验对象及磁场强度有着很大的关系.在前两个因素相同的条件下，磁场强度与生物效应并非线性的关系，具有窗口效应[19-20].由于研究表明磁场暴露提高了人类神经系统肿瘤的发病率[21]，并且钾离子通道广泛分布在中枢神经系统中，参与神经元生理和病理功能的精细调控，与动作电位的发放频率及形状有一定的联系[22].所以本研究采用膜片钳技术，选用小鼠皮层神经元作为研究对象，从电生理学的角度研究1mT、5mT、10mT三个工频磁场强度对瞬时外向钾离子通道的影响.
 

研究结果表明，工频磁场对通道电流有抑制作用，并影响了通道的激活和失活特性.另外不同强度的工频磁场对离子通道影响的程度不同，其中1mT 工频磁场对IA 抑制率最大，暴露在5mT 工频磁场下，通道的半数激活电压和半数失活电压变化最明显，并且10mT 工频磁场对通道的失活斜率因子存在一定的影响.

3 分析与讨论
电压依赖性钾通道由一个选择性的离子传导孔道和一个电压传感器构成.它们具有一般的结构特性：四个独立的α 蛋白亚基构成α 功能基，每个α 亚基包含S1-S6 六个跨膜片段和S5-S6 之间的P 环，S1-S4 四个跨膜片段构成电压传感器，S5-S6 及P 环构成通道的离子传导孔[23].S4 片段作为电压依赖性钾通道的电压传感器，其片段上每隔两个氨基酸就存在一个碱性氨基酸[24]，并且定点突变实验表明S4 片段上最外端的四个精氨酸对电压变化非常敏感[25- 26]，在通道的电压门控机制中起着重要的作用.
 

本研究表明在不同去极化电压下，磁场对IA 的抑制率几乎相同，但不同磁场强度下，抑制率不同.这说明磁场对通道的抑制作用，与电压的变化没有关系，并且不同磁场强度下，通道的电压敏感性变化不同.当细胞膜两端的电压发生变化时，S4 片段上的碱性氨基酸检测到电场的变化，然后打开离子传导孔，尽管具体的通道蛋白的构象变化尚不清楚，但实验结果暗示了工频磁场影响了S4 片段的电压敏感性，导致S4-S5 连接环牵拉S5 和S6 组成的离子孔道的作用力变小，通道口变窄，使得膜上的钾通道电流电流密度变小.磁场还影响了瞬时外向钾通道的激活和失活特性，半数激活和失活电压变小.实验结果说明在工频磁场的影响下，触发离子通道蛋白打开和关闭的电压值前移了，通道蛋白的激活和失活功能区受到了磁场的作用.通道的激活和失活都是电压依赖性的，S4 片段的电压敏感性异常，使得整个通道蛋白的构想变化发生了异常，而具体的磁场暴露下构象的变化，需要借助蛋白质结构学进行深入的研究.
 

另外，研究发现1mT工频磁场对IA的抑制率最为显著，并且5mT工频磁场对通道的半数激活电压和半数失活电压影响最大.另外10 mT 工频磁场对通道在减小激活和失活半数电压的同时，影响了通道的失活速率，使得通道的失活变快，这些结果说明磁场的生物效应在不同强度下影响程度不同.A. Garip-Inhan 等[27]研究了1mT、5mT 及10mT 三个工频磁场强度对K562 细胞分化的影响，结果显示1mT 和5mT 增加细胞的分化率而10mT 没有显著效应，说明1mT和5mT具有磁场的窗口效应，而本研究说明1mT、5mT及10mT 均对离子通道产生了显著性影响，均属于磁场的强度窗口，笔者认为研究结果相互矛盾的部分与研究对象及研究方法有很大的关系.
 

磁场的作用机制尚不清楚，但从研究的实验结果，本文提出了一个假设即磁场只是在S4 片段上的带电残基或者膜内外的电场上叠加了一个变化量σ，导致了离子通道蛋白整体的构象变化的异常，这个变化量与磁场的强度有关，具体的函数关系式需要大量的实验数据累积，这也正是课题深入研究的发展方向，为揭示磁场的作用机制提供基础.

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