由于毫米波具有频率高, 波长短, 有一定穿透力的优点, 毫米波被广泛应用于医学、军事、信息等领域。因此毫米波生物效应也备受关注。Walters等人研究了94GHz毫米波辐照人体引起的温觉和疼痛阈值, 测定了动物体表温升随辐照时间的变化规律^[1]。Nelson等人研究了95GHz毫米波辐照对人血液流量的影响^[2]。本实验室研究了高功率8毫米波辐照鼠的损伤观察、表皮组织的损伤与辐照剂量的关系^{[3, 4]}。这些研究报道了毫米波辐照引起的体表损伤以及动物的宏观表现等, 而高功率毫米波辐照对动物体内免疫系统、生理生化状态等的影响报道的很少。毫米波频率较高, 趋肤深度较小, 比如35GHz毫米波辐照动物, 趋肤深度为0.8mm。我们实验室的前期研究表明, 高功率35GHz毫米波短时间局部辐(辐照面积约为1.8 cm2)能使动物辐照部位体表在数秒时间内上升10℃以上, 这种热效应不仅会产生局部的表皮损伤, 辐照一定的时间(数分钟)就可导致被辐照动物死亡, 这可能与毫米波辐照后动物体内部体温升高和生理生化指标的变化有密切关联。研究毫米波辐照剂量与损伤的关系, 体温和生理生化指标是重要的实验检测指标。寻找对毫米波辐照敏感, 并且与辐照剂量相关性好的生化指标以及合理的生化指标检测方法是研究毫米波生物效应剂量学的重要内容。

血液是动物重要的体液, 血液中生化指标在正常生理情况下含量相当恒定, 仅在有限的范围内波动, 但在病理情况时, 尤其在肝、肾、心等器官病变时, 可引起血液一些化学成分的含量变动超过正常范围^[5]。一些文献^[6-10]也报道了微波对血液生化指标的影响, 但其微波频率大都在0.1GHz-5.4GHz, 这类波长的微波的趋肤深度可直接对肝、肾、心等器官产生影响, 进而使血液中多项生化指标发生变化。对于高功率35GHz毫米波短时间局部辐照对动物体内部脏器及生化指标的影响目前还不清楚。探讨毫米波辐照剂量与对动物的损伤或对动物体内重要生化指标的关系, 对毫米波技术及毫米波装备的安全使用有重要的意义。通过实验研究35GHz毫米波对大鼠辐照不同时间(5s、10s、15s、20s、30s、50s)后, 对大鼠血液中生化指标的影响。找出与辐照剂量相关性好的生化指标, 建立辐照剂量与生化指标变化之间的关系, 为检测35GHz毫米波对动物体损伤寻找敏感的检测指标, 为安全使用毫米波提供一种合理可靠的检测指标。我们前期检测了不同辐照剂量的毫米波辐照后的大鼠血液中谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)、葡萄糖(GLU)、尿素氮(BUN)、总蛋白(TP)、白蛋白(ALB)、肌酸磷酸酶(CK)、乳酸脱氢酶(LDH)、肌酐(Cre)九项生化指标, 经筛选选取AST、CK、LDH三项生化指标进一步深入研究(筛选方法见附录)。研究结果表明, AST, CK, LDH可作为研究毫米波生物效应的重要生化指标; 辐照后1h测量获得的生化指标值与辐照剂量具有较好的相关性, 建议该时间段可作为生化指标测量的最佳时间。

1 实验装置及方法 1.1 实验装置

脉冲调制的8mm毫米波源, 平均输出功率40W, 调制脉宽1.0μs, 重复频率1.0kHz。全自动生化分析仪(HITACHIAu tomatic analyzer 7020)分析生化指标。

1.2 实验动物与方案

实验动物为成年雄性SD大鼠(SPF级, 购自中国科学院上海实验动物中心)。取225.3g±11.2g的SD大鼠21只, 随机分为七组, 每组3只, 分别为0s(假辐照组)、5s、10s、15s、20s、30s和50s辐照组, 诱导大鼠钻入瓶中固定, 置于实验台并静置5min, 使其适应周围环境, 以功率密度7.8W/cm²的毫米波辐照大鼠的腰背部, 辐照区域面积约为1.8cm²。

1.3 生化指标测定

实验大鼠在辐照后0h、1h、4h、7h、12h和24h鼠尾静脉采血, 每次采血0.5ml, 肝素钠为抗凝剂。高速离心机以8000r/min离心血液样品10min, 分离出血浆。全自动生化分析仪分析血浆中AST(谷草转氨酶)、CK(肌酸磷酸酶)、乳酸脱氢酶(LDH)的含量。

1.4 数据处理

T检验方法(双尾双样本等方差分析方法)检验实验组与相应假辐照组(0s组)的差异性, 以*表示P < 0.05, **表示P < 0.01。

2 实验结果 2.1 三项生化指标测量结果

表 1至表 3分别表示经高功率毫米波辐照后大鼠血液生化指标AST、CK和LDH的变化情况。0s组的变化是一天不同采血时间的正常波动^[11]。

2.2 血液生化指标随高功率毫米波辐照时间的变化

根据表 1至表 3的数据, 图 1至图 3给出了大鼠血液生化指标值(AST、CK、LDH)与辐照时间的关系。

按不同取血时间分组的大鼠血液生化指标AST与辐照时间的关系曲线见图 1, 1h组至24h组都随辐照时间增加而升高, 7h组变化最大。按不同取血时间分组的大鼠血液生化指标CK与辐照时间的关系曲线见图 2, 仅1h, 4h组随辐照时间增加而升高, 其中1h组变化最为显著。按不同取血时间分组的大鼠血液生化指标LDH与辐照时间的关系曲线见图 3, 与CK指标变化相似, 1h, 4h组随辐照时间增加而升高, 1h组变化最为显著。

2.3 高功率毫米波辐照后大鼠血液生化指标随取血时间的变化

根据表 1至表 3的数据, 图 4至图 6给出了大鼠血液生化指标值(AST、CK、LDH)在辐照后随时间的变化。

AST按不同辐照时间分组辐照后随时间变化曲线见图 4。AST含量辐照后1h开始显著增加, 辐照后4~7h达到峰值后逐渐回落。随辐照时间增加AST恢复状况变差, 0s~15s组24h可恢复至较正常的水平, 20s~50s组24h仍然保持在一个较高的水平。CK按不同辐照时间分组辐照后随时间的变化情况如图 5所示。各组均为辐照后1h出现峰值后逐渐下降。随着辐照时间增加, 辐照组恢复至正常范围的时间增加, 其中0s ~20s组在辐照后7h即恢复, 30s组在辐照后12h恢复, 50s组在辐照后24h才恢复到正常范围。LDH按不同辐照时间分组辐照后随时间的变化情况如图 6所示。LDH含量辐照后1h开始显著增加, 然后逐渐回落。辐照组随辐照时间的增加, 恢复到正常范围的时间也相应增加, 其中0s~15s组在辐照后7h即恢复, 20、30s组在辐照后12h恢复, 50s组在辐照后24h才恢复到正常范围。另外从图 4至图 6可以看出辐照后会引起上述三个生化指标的变化, 但没有立即发生明显变化, 而需过一段时间才出现明显变化, 并且随着时间的增加也能逐渐恢复到正常范围。因此需要选择合适的时间检测生化指标。

3 讨论

对辐照功率密度为7.8W/cm²的高功率毫米波局部辐照对固定大鼠血液中生化指标的影响进行了研究。研究结果表明AST、CK和LDH含量均随着辐照时间的增加而增加; 对于相同辐照时间的各组, AST、CK和LDH辐照后的含量都是先达到峰值然后逐渐减小。

辐照后1h生化指标AST、LDH、CK的测量值与辐照剂量都具有良好的相关性, 辐照时间越长变化越大。图 7表示高功率毫米波辐照后1h, AST、CK、LDH随辐照时间的百分变化率由图 1至图 3中可看出辐照后4h和7h, AST含量处在最高处, 但此时LDH和CK含量已明显回落。辐照时间10s以上的组在辐照后1h, LDH和CK含量都处于最高值, AST虽然不在最高值, 但也有明显的变化。由此可见, 辐照后1h可作为高功率毫米波辐照对大鼠血液生化指标影响的最佳测量时间。其他时间点, 三个生化指标的含量值不能同时都与辐照剂量有较好的相关性。

研究结果表明, 以功率密度为7.8W/cm²的高功率8mm波局部辐照大鼠时间大于10s时, 辐照后1h测得血液中AST、CK和LDH与辐照时间0s组相比都发生了显著的变化, 辐照时间10s以上, AST含量升高30%以上, 而CK含量和LDH含量均升高100%以上。辐照5s~50s组AST的含量辐照后1h分别比0s组升高10.47%, 29.65%, 35.76%, 38.08%, 111.05%, 359.88%。AST在心肌中含量最高, 其次为肝脏, 当大块肝组织细胞坏死, 线粒体中的AST释放出来, AST可明显升高, AST的逸出反映了心肌细胞和肝细胞损伤的严重程度^[12]。这提示高功率毫米波短时间局部辐照可能造成心脏、肝脏组织受到一定损伤, 使得AST从相关组织的细胞中释放出来。10s~50s组CK的含量辐照后1h分别比0s组升高39.62%、88.55%、137.54%、821.74%、1153.28%。CK是一种器官特异性酶, 主要存在于骨骼肌和心肌中, 以骨骼肌含量较高, 它能将高磷酸键迅速地转移到ADP生成ATP以保证剧烈运动时肌肉收缩的能量供应。高功率毫米波短时局部辐照可能使大鼠心肌和骨骼肌细胞受损, 导致肌肉中的CK逸出。5s ~50s组LDH的含量辐照后1h分别比0s组升高23.66%、91.71%、168.51%、180.80%、388.02%、1227.65%。LDH是糖酵解过程中一种重要的酶, 以心肌含量最为丰富, 这也提示高功率毫米波短时间局部辐照可能造成心脏受损, 使LDH从心肌细胞中逸出, 导致漏入血液中的LDH增多。

研究结果表明, 相同辐照时间, 不同的生化指标恢复时间不一样, 如辐照时间15s组, CK含量和LDH含量辐照后4h即恢复到正常水平, AST含量辐照后24h仍没有恢复到正常水平。不同的生化指标与不同的组织器官有关, AST的含量反映肝脏、心肌的损伤, CK反映骨骼肌损伤, LDH反映心肌损伤, 这可以间接的说明高功率毫米波短时间辐照后对不同器官的损伤恢复情况不同, 心脏和骨骼肌的恢复比肝脏的恢复快。辐照时间越长, 血液生化指标恢复至正常值的时间越长, 这也表明高功率毫米波辐照时间越长, 对各器官的伤害越大。

毫米波趋肤深度很小, 对于8毫米波来说, 辐照在动物体上的趋肤深度为0.8mm, 能量主要集中在皮肤组织。本实验室前期的研究成果显示, 以功率密度3.5W/cm²高功率毫米波辐照体重22g左右小鼠腰背部5~30s, 5s组的掉毛面积小于其他组, 在28d后观察发现毛发恢复正常; 10~30s组的小鼠辐照部位均出现了不同程度的溃烂结痂现象。高功率毫米波辐照主要对皮肤造成直接伤害, 并不会直接作用于辐照动物的内脏器官, 但本研究表明该辐照也能对内脏器官产生明显的间接影响, 这可能是高功率毫米波局部辐照一定时间(数分钟)引起大鼠死亡的原因。张杰等^[3]报道高功率8mm波辐照过程中体表温度迅速升高。Walters等^[1]报道在高功率95GHz毫米波辐照时动物体表温度升高同时体表血液流速增大。可能是由于皮肤内的感受系统可将毫米波能量转换为神经脉冲传至大脑, 并使动物机体产生应激反应, 进而引发相关组织和器官的损伤; 也可能是辐照部位产生的热量通过血液循环带入各个器官, 进而引起相关组织和器官的损伤, 具体机理有待进一步考证。