梯度强/超强静磁场对细胞有丝分裂纺锤体取向和形态的影响及机制研究

With the development of high-field magnetic resonance imaging and other technologies, the biological effects and safety of high static magnetic fields have attracted people's attentions. Although it has been reported that gradient high magnetic fields affected the viability of human and mouse bone cells, and could also suspend small animals such as frog, the effects on the mitotic spindle of human cells are still unclear. The previous study by the applicant found that the 27 T ultra-high uniform static magnetic field affected the orientation and morphology of the mitotic spindle of human cells, but the effects in the gradient high static magnetic fields are still unclear. The applicant intends to study 15 different cell lines, including tumor and non-tumor cells, and use the "water-cooled magnet #4" in High Magnetic Field Laboratory and the cell culture device built by the applicant to further study the effects of gradient high/ultra-high static magnetic field on spindle orientation and morphology, cell proliferation, cycle and apoptosis, as well as spindle localization and morphology related proteins changes, and the force/torque acted on the spindle in the gradient high/ultra-high static magnetic field will be analyzed and calculated. Finally, the biological and physical mechanism of its orientation and shape changes will be found. The implementation of this project is expected to provide a new technique for the study of mitotic spindles and provide a basis for the safety of high-field MRI.

随着高场磁共振成像等技术的发展，强磁场的生物学效应及安全性问题引起人们的关注。尽管梯度强静磁场会影响人和鼠骨细胞的活力，还能使青蛙等小动物悬浮，但对人类细胞有丝分裂纺锤体的影响还不明晰。申请人前期研究发现27T超强均匀静磁场会影响人类细胞有丝分裂纺锤体的取向和形态，但在梯度强/超强静磁场中的效应还不清楚。本项目拟以15种不同组织来源和遗传背景的肿瘤和非肿瘤细胞为研究对象，利用国家稳态强磁场实验装置WM4号水冷磁体和申请人搭建的细胞培养装置，进一步研究梯度强/超强静磁场对细胞有丝分裂纺锤体取向和形态的影响，对细胞增殖、周期和凋亡等方面的影响，并检测曝磁后纺锤体定位及形态相关蛋白的变化情况，计算分析纺锤体在梯度强/超强静磁场中受磁力或磁力矩的情况，最终找到其取向和形态变化的生物和物理机制。本项目的实施预期将为细胞有丝分裂纺锤体的研究提供一种新的技术手段，同时为高场MRI的安全性问题提供依据。

根据磁感应强度在空间的分布情况，静磁场可以分为均匀磁场和非均匀磁场（梯度磁场）。对于大部分由电磁线圈产生的静磁场而言，磁体中心位置场强最大，均匀度也最高，而在远离中心的其它位置的磁场则是梯度磁场。例如医院里的核磁共振，在检测部位的磁场 为均匀的强磁场，而在偏离中心部位的其它位置，则会产生梯度磁场。根据磁学理论，磁各向异性分子在稳态均匀磁场中只会受到磁力矩的作用，但是在梯度静磁场中会同时受到磁力矩和磁力的作用，而且磁力的大小不仅与分子磁性有关，还与磁场强度和梯度的乘积有关。尽管相关现象的报道比较多，但是机制方面的探索还比较缺乏，值得继续深入研究。. 在本项目的资助下，本人主要进行了以下三个方面的研究，并取得了一系列较为重要的成果：一是发现超强梯度磁场能够利用磁化率差异导致的磁力差异影响细胞核与细胞质之间的相对位置。虽然在单个细胞内，细胞组分（细胞核和细胞质）之间的磁化率差异只能引起约41–130 pN的力作用于细胞核，但是这些力足以引起细胞核在细胞内的相对位置移动。该发现不仅证明了磁化率在磁场生物效应中的重要性，而且说明了梯度强磁场在生物医学中的潜在应用，该项工作发表于“Biophysical Journal”。二是发现方向向上的9.4T静磁场能够抑制DNA合成并促进ROS-P53通路以抑制肺癌生长。我们检测了方向相反的静磁场对携带肺癌的小鼠的影响，发现当携带肺癌细胞的小鼠总共用9.4T SMF处理88小时时，方向向上的9.4T SMF显着抑制A549肿瘤生长（肿瘤生长抑制=41%），但方向向下的9.4 T静磁场无此效果。该项工作发表于“Translational Oncology”。三是发现9.4T静磁场改善甲磺酸伊马替尼诱导的小鼠毒性和抑郁症状。我们的研究结果表明，9.4T静磁场不仅具有抗肿瘤作用，还可以改善甲磺酸伊马替尼的抗肿瘤作用，降低其毒性，改善小鼠心理健康，揭示了未来应用中强静磁场的巨大临床潜力。该项工作发表于“European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imagine”。. 上述研究工作从细胞、组织到模式动物多个层次系统性地阐述了均匀/梯度强磁场的生物学效应及机制，为进一步探索静磁场生物学效应提供理论依据。