虽然人们对生物体内部成分具体物理特性的认知比过去深刻许多,但总体来讲尚处于起步阶段。生物磁性普遍微弱,并且生物体非常复杂,导致目前大多数生物体组成成分的磁学性质仍然未知,磁场和生物体相互作用的机理以及作用靶点仍不够明确,机制探索相对缺乏。本论文主要采用基于超导量子干涉仪(SQUID)的高灵敏度磁学测量系统来检测和分析多种新鲜分离生物样品在生理温度(37℃/310K)及相应溶液状态的磁化率,结合磁学性质测量和强磁场下的细胞生物学表型分析,为深入研究磁场下的生物学效应提供生物和物理机制,具体研究结果如下:1生物样品的磁化率具有多样性。磁化率是反映物质可被磁化程度的物理量,我们测量了生理温度下多种样品的磁化率,发现大部分生物样品为抗磁性,但质粒DNA和处于有丝分裂间期的人鼻咽癌细胞CNE-2Z的细胞质呈顺磁性。此外,我们发现来源不同的组织(包括正常和癌变等)和细胞的磁化率,以及蛋白等生物样品在固体状态与溶液中的磁化率各不相同,这可能与其内部组成和状态都有关联。2发现强磁场可改变CNE-2Z细胞亚结构的取向。我们发现加强磁处理后有丝分裂间期CNE-2Z细胞核质中心连线更顺着磁场方向排列,不仅是磁场生物学效应的新发现,也说明有丝分裂间期细胞胞内物质分布并不均匀,具有磁各向异性。我们将纺锤体两极之间的连线定义为纺锤体的长轴,对于有丝分裂后期B阶段细胞而言,纺锤体长轴越长,纺锤体长轴与磁场方向夹角越小,但是有丝分裂后期A阶段细胞与之相反。猜测可能虽然有丝分裂后期A阶段细胞纺锤体两极间距离增大,但是动粒微管解聚变短,微管总体密度降低,纺锤体顺微管方向排列趋势减弱。3梯度磁场可改变CNE-2Z细胞亚细胞结构的定位、取向和形态。通过对分离细胞组分的磁学测量以及大梯度磁场下的细胞成像分析,证实了有丝分裂间期CNE-2Z细胞细胞核与细胞质之间的微小磁性差异,足以导致细胞核与细胞质在大梯度超强磁场中产生相对位移。与有丝分裂间期细胞核倾向于向磁场强度降低的方向定位不同的是,在梯度磁场中,有丝分裂中期染色体相对于细胞质更倾向于向磁场强度增大的方向定位,推测有丝分裂中期染色体较细胞质抗磁性更弱或者呈顺磁性。此外,我们发现不同磁场强度和磁场梯度的组合可使纺锤体的取向和形状发生不同程度的变化。有意思的是,在加磁处理后,有丝分裂前中期和中期细胞染色体的弥散程度有所减小,提示外部磁场可使胞内染色体规整排列。另外,加磁处理后,纺锤体的长宽比发生了较显著的变化,且纺锤体长轴垂直于磁场方向的细胞纺锤体两极夹角较纺锤体长轴平行于磁场方向的纺锤体大,这提示磁场可以作为一种新的研究和调控有丝分裂进程的工具。4中等强度低频旋转磁场对不同类型肿瘤抑制效果不同。我们研究了中等强度低频旋转磁场(low frequency rotating magnetic field,LF-RMF)对荷瘤小鼠的生物学效应。发现中等强度LF-RMF的抗癌效果具有肿瘤特异性,LF-RMF对MDA-MB-231和MCF7乳腺癌细胞荷瘤小鼠的肿瘤生长有抑制作用,但对GIST-T1胃肠道间质癌细胞荷瘤小鼠的肿瘤生长无抑制。提示该两种肿瘤组织的磁学性质可能不同,因而对磁处理响应不同。此外,MCF7和GIST-T1荷瘤小鼠的丙氨酸转氨酶(alanine aminotransferase,ALT)水平降低,肝脏损伤减少,表明LF-RMF在癌症患者的肝脏保护中具有潜在的临床优势。虽然由于本课题在前期对所涉及的新实验方法的摸索,加上SQUID和强磁场双方面机时的限制都导致了本论文的实验数据目前还比较有限,还有很多后续实验亟待进行。但是本论文通过测量多种生物样品的磁化率,发现生物样品虽然磁性较弱,但是样品间存在着显著性差异。我们进一步依托强磁场大科学装置,通过细胞生物学表型分析,发现亚细胞结构之间的微观磁性差异会直接导致其在强磁场下受力不同,说明不同类型生物样品的磁性差异可能会直接导致其在磁场下的响应不同,这不仅有助于开发磁场在生物医学研究中的新应用,也为生物磁学和磁生物学提供了磁学理论基础。