随着现代电器的发展和日益普及,以及磁共振成像等设备在医院中的广泛应用,磁场对人类健康的潜在影响引起人们的日益关注。虽然国际上已有磁场对生物体细胞影响的初步研究,但是对于磁场的各种参数,以及所研究细胞的各种差异并没有系统性的分析。此外,相较于时变磁场而言,稳态磁场的变量较少,更利于从基础水平上研究磁场对生物体作用的细胞与分子机制,因此利用稳态磁场从机理上研究磁场的生物学效应更具优势。借助于中科院强磁场科学中心在9T超导磁体及27T水冷磁体上搭建的稳态磁场下细胞生物学研究的专用平台以及生物化学和分子生物学等研究手段,我们探讨了稳态磁场对肿瘤细胞增殖的影响和分子机制,即中等强度稳态磁场通过抑制EGFR蛋白激酶活性影响肿瘤细胞增殖,超强稳态磁场还能改变有丝分裂纺锤体取向,具体的研究结果如下:1.中等强度稳态磁场通过影响EGFR激酶活性抑制肿瘤细胞增殖,且与细胞种类和密度相关。EGFR(Epidermal Growth Factor Receptor,表皮生长因子受体)是一种属于ErbB/HER家族的170kDa的跨膜糖蛋白受体酪氨酸激酶,由表皮生长因子(EGF)激活,影响细胞的生长与分化。EGFR广泛存在于多种正常细胞和癌细胞中,许多肿瘤的发生发展均伴随着该蛋白的过度表达与自我活化,因此EGFR也是多种抗癌药物的作用靶点。目前已有研究表明工频磁场和脉冲磁场均会对EGFR活性及其下游信号通路造成影响,但稳态磁场是否会对其产生影响及其机制还不清楚。首先我们将纯化的EGFR激酶区蛋白置于不同场强稳态磁场(0、0.005T、0.05T、0.1T、0.7T、1T)中进行体外磷酸化实验,发现其磷酸化水平随着场强的升高而降低,表明稳态磁场在体外能够直接抑制EGFR激酶区的活性。为了直观了解EGFR激酶区分子在磁场中的变化情况,我们利用先进的液相扫描隧道显微镜(L-STM)获得了该蛋白在溶液条件下的高分辨率的单分子图像,而且还观察到在稳态磁场中其分子取向发生改变。这种改变会影响EGFR蛋白单体之间的相互作用,进而影响其活性。利用分子动力学模拟,我们发现在1-9T稳态磁场中,随着场强的升高,溶液中EGFR蛋白分子平行于磁场方向排列的比例也逐渐增大。细胞实验中,我们发现稳态磁场能够抑制人鼻咽癌细胞CNE-2Z和人结肠癌细胞HCT116的增殖。此外,我们构建了过表达外源EGFR的中国仓鼠卵巢细胞稳转细胞系CHO-EGFR-Flag,发现稳态磁场能够抑制CHO-EGFR-Flag细胞增殖,却不影响CHO细胞的生长。我们的发现证实了稳态磁场能够通过影响EGFR蛋白的活性进而抑制肿瘤细胞的增殖。此外,研究过程中我们还发现细胞的种类与生长密度也会影响中等强度稳态磁场对其增殖所产生的效应,而且与EGFR-Akt-mTOR信号通路有关。2.27T超强稳态磁场影响人类细胞有丝分裂纺锤体。研究表明,生物体的主要组成部分,例如蛋白质、DNA等都具有磁性,而磁场能够通过影响大分子的排布与组装从而改变多种生命进程。真核细胞内重要的细胞骨架蛋白微管蛋白便会受到稳态磁场的影响,该蛋白参与调控许多重要的生命活动,如细胞分裂、细胞迁移等。体外实验表明纯化的微管蛋白因其具有的抗磁各向异性在稳态磁场中会沿着磁场方向排列。然而真核细胞中由微管蛋白构成的有丝分裂纺锤体在稳态磁场中的排布是否会发生变化目前还未见报道,尤其是高于20T超强稳态磁场对哺乳动物细胞的效应还是未知的。我们搭建了国内首个适用于27T水冷磁体的细胞培养装置,利用27T超强均匀稳态磁场处理人鼻咽癌细胞CNE-2Z和人视网膜上皮细胞RPE1。我们发现在处理4小时之后,CNE-2Z细胞的形态及数量均未发生明显变化,但是撤磁后继续培养细胞三天后,加磁组CNE-2Z细胞数目减少了约40%。为了深入了解其机制,我们将研究重点集中于有丝分裂纺锤体上,当磁场方向垂直于细胞基底时,发现27T稳态磁场处理4小时之后纺锤体长轴取向发生明显变化,其长轴倾向于平行于磁场方向排列,导致其与基底形成较大的夹角。进一步更加细致的研究之后我们发现,稳态磁场产生的磁力矩同时作用于纺锤体和染色体,而最终纺锤体长轴的倾向则取决于作用于两者的磁力矩的大小。我们使细胞基底平行于磁场方向,发现27T稳态磁场处理4小时后,有丝分裂前中期细胞的纺锤体长轴倾向于平行于磁场方向;然而有丝分裂中期细胞的染色体(赤道板)倾向于平行于磁场方向,进而使得纺锤体长轴垂直于磁场方向分布。此外我们还发现27T稳态磁场改变了纺锤体的形态特征。综上所述,我们探索了稳态磁场对肿瘤细胞增殖的影响,并且从两个方面研究了其中的机制。经过了一系列的实验,我们发现中等强度和强稳态磁场能够通过改变EGFR激酶区的相互作用抑制其激酶活性,进而抑制肿瘤增殖。同时也研究了超强稳态磁场对细胞有丝分裂纺锤体的影响。这些研究进展明确了我们今后的研究方向,有助于进一步揭示稳态磁场与生命活动之间的联系,让我们能够更好地将稳态磁场与生命科学联系起来,利用其为人类健康服务。