静磁场(Static magnetic field,SMF)广泛存在于人类生存环境中,包括天然地磁场(Geomagnetic field,GMF,约40 μT)和磁性材料或工具产生的人工磁场。不同强度的磁场在疾病的诊断和治疗中起着重要的作用。其中,中等强度静磁场(1 mT～1 T)(以下简称强磁场)在多种疾病的替代和补充治疗中具有较为广泛的应用,如中药磁石内服可以潜阳纳气、镇惊安神,外用的磁场治疗仪可以用于各种急慢性疼痛的治疗,发挥消肿止痛、止血的功效。近年研究发现,强磁场抑制多种类型癌细胞的生长,具备用于肿瘤治疗中的潜力。然而,目前对癌细胞在磁场作用后性质、转移等的变化及其机制还有待分析。更全面和深入地了解强磁场的作用及其机制对于该方法的临床应用至关重要。乳腺癌是女性发病率最高的恶性肿瘤,由于其肿瘤的原发性或继发性耐药及肿瘤的远处转移导致的死亡率居高不下。乳腺癌细胞是肿瘤细胞转移分析的常用模型。研究表明,强磁场可以增加一些化疗药物如紫杉醇、5-氟尿嘧啶对乳腺癌细胞的抑制作用。本研究前期结果也发现一种弱磁场,即亚磁场(hypomagneticfield,HMF,约1 μT)处理可以抑制人神经母细胞瘤细胞的迁移。提示强磁场可能不仅用于肿瘤生长抑制也可用于肿瘤转移干预。因而,本论文研究,采用小鼠乳腺癌细胞4T1为研究对象,以地磁场环境为对照,进一步探索强磁场(约254 mT)对于4T1细胞增殖、迁移、凋亡等性质的作用及机制。细胞计数、细胞活力及CFSE染色研究结果表明,强磁场的处理可以加速4T1细胞的增殖,但细胞活力显著降低。划痕实验及trans-well实验结果显示强磁场处理可以显著抑制4T1细胞的迁移。为了进一步探索不同强度静磁场对于细胞作用的共同途径,我们运用亚磁场、地磁场和强磁场三种不同强度的磁场环境对4T1细胞进行干预,并运用第二代高通量测序技术进行转录组测序,采用多种基因筛选策略及多种生物信息学方法对测序结果进行分析。结果提示,线粒体及端粒区域可能响应磁场强度的连续变化,是静磁场的作用靶标之一。为了验证强磁场对线粒体的相关作用,我们对线粒体的结构及功能进行了检测。透射电子显微镜分析结果显示,经过强磁场处理后,4T1细胞线粒体的形态未发生明显变化,但线粒体的宽度显著降低;seahorse能量代谢分析仪显示,强磁场处理后的线粒体的耗氧率显著降低,胞外酸化率显著增加,ATP的产量及细胞内ROS的含量显著降低;进一步分析我们发现,强磁场的作用使细胞内抗氧化酶如过氧化氢酶、总谷胱甘肽还原酶的活力下降,细胞培养基中乳酸含量增加,糖酵解代谢通路关键基因MYC、PDK1的表达显著增高。以上结果证明,强磁场的作用降低了线粒体的功能,抑制了氧化磷酸化进程,促进了糖酵解代谢的增加。同时我们观察到,强磁场处理后的线粒体的膜电位升高,这与常规认为线粒体功能降低会伴随膜电位降低不同。我们通过对seahorse能量代谢分析仪数据深入分析,认为强磁场可能对线粒体呼吸链上的ATP合酶具有一定影响,导致线粒体合成ATP的降低及膜电位的增加,通过进一步研究我们发现,强磁场可以显著抑制ATP合酶的活力。Western-blot及荧光共定位的结果显示,强磁场处理后ATP合酶的含量没有显著变化,但是可能相对于线粒体外膜的距离变远。同时我们对强磁场处理后细胞端粒及端粒酶的状态进行检测。结果显示,强磁场处理导致4T1细胞的端粒酶活性降低,端粒长度缩短,端粒酶逆转录酶(TERT)的表达降低。因TERT不仅与细胞的无限增殖相关,也与细胞的迁移相关。为了进一步确定TERT相关通路是否介导了磁场的作用,我们运用siRNA对4T1细胞的TERT基因进行敲降,结果显示TERT基因敲降后,强磁场对4T1细胞迁移能力的抑制作用消失。这些结果证明,强磁场可以降低小鼠乳腺肿瘤细胞端粒酶的表达及活性,缩短端粒长度,且TERT可能是强磁场的作用靶点之一。综上所述,我们认为线粒体及端粒酶可以响应静磁场的变化。强磁场降低了小鼠乳腺肿瘤细胞的线粒体功能,这种作用可能是通过影响ATP合酶而造成的。鉴于多数化疗药物是针对肿瘤细胞快速分裂的特点而抑制肿瘤增殖,强磁场加速了小鼠乳腺肿瘤细胞增殖,为日后在肿瘤治疗中的联合用药提供了新的思路。更重要的是,强磁场同时抑制了肿瘤细胞的迁移,提示磁场在乳腺癌治疗中的潜在应用价值,为磁场联合化疗药物共同治疗乳腺癌提供了新的方向。