磁場促進生物體內氧氣利用的機制及其醫學應用

苑曦宸 張 彬 孟智悅 王建萍 尹大川 商 澎

磁場促進生物體內氧氣利用的機制及其醫學應用

苑曦宸1,2,3,4張 彬1,3孟智悅1,3王建萍1,3尹大川1,3商 澎1,2,3

（1. 西北工業大學生命學院 西安 710072 2. 西北工業大學深圳研究院 深圳 518057 3. 西北工業大學空間生物實驗模擬技術國防重點學科實驗室 西安 710072 4. 西北工業大學長三角研究院 太倉 215400）

磁場在地球生命的產生、演化與繁衍中起著至關重要的作用。生命的存活離不開氧氣（O2），O2是大部分生物體生理活動的必需物質。磁場作為非侵入式物理條件，在一定條件下可以促進生物體內O2的利用。該文從磁場和O2的基本概念入手，基于現有的文獻總結磁場促進生物體內O2利用的生物學機制，展現磁場在呼吸-循環系統障礙性疾病/癥狀相關醫學領域上的一些應用。以緩解氧代謝障礙疾病的缺氧癥狀和改善當下新冠患者的呼吸窘迫為理念，利用電工醫學交叉學科的優勢，擬解決該領域中促進O2利用的待突破關鍵技術和發展需求，并對此發展前景予以展望。

磁場 氧氣 生物機制 醫學應用

0 引言

地磁場在地球生命的產生、演化與繁衍中起著至關重要的作用，磁性也是生命體固有的屬性之一。外部磁場對生命活動具有廣泛的影響，例如，電磁場在工農業生產、日常生活與醫療健康中廣泛應用；在人類的空間探索活動中，航天員會面臨低于地球磁場的亞磁場環境[1]。物質本身的磁性不同，在磁場環境中會受到不同的作用力。生物樣品整體而言大多呈抗磁性，同時生物體內也存在一些順磁性物質。因此，將生物體的磁性質與其磁場生物學相結合有助于探討磁場生物學效應背后的物理機制。

氧氣（O2）作為大部分生物體生理活動的必需物質，對于它的運輸過程以及影響其體內運輸的多種因素的研究具有十分重要的意義。2019年，William G. Kaelin Jr（美國）、Gregg L. Semenza（美國）和Sir Peter J. Ratcliffe（英國）三位科學家被授予諾貝爾生理學或醫學獎，以表彰他們在細胞如何感知和適應O2供應[2]方面的偉大發現。同時，O2在外界磁場作用下具有順磁性，即O2在磁場中向磁場強度增大的方向流動[3]。這一特性也吸引了眾多研究者深入探究，為磁場對生物體內O2的利用及其醫學應用奠定了基礎。

磁場作為非侵入式物理條件，在一定條件下可以促進生物體內O2的利用。本文將結合已有文獻，從磁場和O2的基本概念入手，介紹磁場促進生物體內O2利用的生物學機制，討論與之關聯的呼吸-循環系統障礙性疾病以及相關醫學應用，并對該領域的發展前景予以展望，為磁場在生物體內O2利用方面的進一步推廣與應用提供一定的參考和依據。

1 磁場

1.1 磁場的定義及分類

1.2 磁場與磁力

磁場不會隨著生物材料的深入而衰減，因此磁場誘導的力對生物樣品提供獨特的控制。瘧疾寄生蟲感染紅細胞后消化Hb，留下的血紅素聚集成不溶性棕色血紅素。血紅素，特別是b-血紅素，具有一種磁性結構，這種結構是一種合成生物材料。b-血紅素的分子結構和組成通常是Fe3O4或Fe3S4的單磁疇晶體，當置于梯度磁場中會受到磁場力m的作 用[14]，有

紅細胞中血紅素水平是檢測和分離瘧原蟲感染紅細胞的關鍵物理特性。因此，大梯度SMF已經被應用于紅細胞分離以及瘧疾感染細胞的分離和診 斷[14]。文獻[10]對人鼻咽癌細胞CNE-2Z細胞進行超導量子干涉儀（Superconducting Quantum Inter- ferometer Devices, SQUID）檢測分析，證實了細胞內部存在順磁性物質，并且通過細胞分離以及大梯度強磁場下的細胞成像分析，證實細胞核與細胞質之間的磁性差異，可以導致細胞核與細胞質在大梯度強磁場中的相對位移發生改變。文獻[8]中使用的超導磁體可在豎直方向的磁體腔室產生大梯度強磁場。磁性生物物質置于大梯度強磁場中會在磁感應強度變化的方向受到磁場力的作用。例如，文獻[15]研究結果表明，帶電的DNA在梯度磁場中受力可以導致DNA合成受到抑制，盡管影響比較小，但這對于深入理解磁場的生物效應具有根本意義。此外，磁場會對置于其中的物質產生磁力矩。當物質本身的磁矩方向與外加磁場方向不一致時，物質由于所受力矩的作用而產生扭轉，從而使物體的磁矩傾向于與外磁場方向一致。因此，當物質磁矩與外加磁感應強度方向相同時能量最低，而反向時能量最高。文獻[16]發現，27T SMF會通過磁力矩作用于微管和染色體來影響紡錘體的取向，并且具有強度和時間依賴性。物質的抗磁各向異性也會導致外加磁場對其產生效應，尤其是取向偏轉，例如，微管、微絲、DNA鏈、細胞膜結構[17]和表皮生長因子受體（Epidermal Growth Factor Receptor, EGFR）蛋白[18]等的取向都會受外加磁場的影響。

2 氧氣

2.1 氧氣的基本概念及其在人體內的運輸過程

人的生存離不開O2，O2是人體生理活動的必需物質，它是氧元素中最常見的單質形態，大氣中體積分數約為21%，1L水中溶解約為30mL O2[19]。O2在人的氣體交換過程中，實質上是肺泡與血液之間通過擴散作用進行的。O2能進入血液的關鍵在于肺中的肺泡，在肺內，肺泡氣的氧分壓為103mmHg（1mmHg=133.322Pa），而靜脈血中的氧分壓為40mmHg，分壓差為63mmHg，所以O2可以從肺泡中擴散進入靜脈血；而肺泡氣和靜脈血中二氧化碳（CO2）分壓分別為40mmHg和46mmHg，分壓差約為6mmHg，所以CO2從靜脈血中擴散入肺泡[20]。當血液中的O2和CO2分壓與肺泡氣壓達到平衡時，靜脈血變為動脈血。之后血液流回心臟并被輸送到全身各處，到達毛細血管后，再與組織細胞通過分壓差進行氣體交換。一般O2需要通過血液、毛細血管壁、組織液、細胞膜和細胞內途徑才能進入細胞，而CO2則通過相反的途徑進入血液。

O2在血液中運輸的形式有兩種：一是物理溶解（1.5%），即氣體分子直接溶解于血漿中；另一種是化學結合（98.5%），即氣體分子與血液中某一化學物質結合。O2在血液里存在的主要形式是氧合血紅蛋白，Hb在氧含量高的地方與氧結合，每克Hb可攜帶1.34mL O2。

在O2運輸過程中，血液黏度、紅細胞形態及分布、血流量、剪切速率、Hb等會對其產生影響。紅細胞在全血中所占的容積百分比為紅細胞比容（Hematocrit, Hct），正常狀態下，Hct與Hb及紅細胞之間呈正相關。Hct適當增加可以提高血液攜氧的能力，從而提高血氧含量和血氧容量。但Hct如果過度增加，則會增大血液黏度，使血流量降低，對組織的氧供應不利。鐘南山等[21]通過對吸煙的糖尿病組及非吸煙對照組的Hb進行研究，發現吸煙的糖尿病人組Hb平均值顯著高于對照組，說明血中糖化血紅蛋白及一氧化碳血紅蛋白對降低O2運輸有迭加作用。還有文獻報道[22]，通過加入磁場作用，使高粘血癥患者紅細胞表面負電荷增加，沉降率降低，血液黏度降低，且使紅細胞攜氧能力增強，提高了血氧飽和度。

2.2 氧氣在人體中的磁特性

生物體內的任何物體均具有磁性。Hb作為O2在血液里結合的主要對象，它的輔基血紅素是鐵卟啉化合物，一定強度的SMF可以改變Hb的分子結構與分子內相互作用[28]，從而提高血氧含量和血氧容量。紅細胞內含有大量Hb，它們表現出一定的磁特性。P. L. Croal等通過研究不同Hb狀態（正常、氧化和還原）下SMF對紅細胞的影響發現，血液中紅細胞的抗磁性與Hb的氧合狀態相關[29]，間接證明了SMF可以促進血氧結合，提高血氧含量[30]。L. Pauling等表示，脫氧的亞鐵血紅蛋白中鐵原子與血紅素基團和珠蛋白鏈的其余部分之間的化學鍵是離子鍵，而在氧化的亞鐵血紅蛋白中則為共價鍵[31-32]。由于氧合血紅蛋白共價鍵的存在，其血紅素基團不含未配對電子，所以氧合血紅蛋白是抗磁性的，而脫氧血紅蛋白是順磁性的[33]。所以當紅細胞脫氧時，其抗磁性降低，在磁場的作用下，順磁性的脫氧血紅蛋白的流動性增強，使其接觸O2的概率提高，從而提高血氧含量[34]。

總之，從鼻、口中吸入空氣，之后送到肺泡，因空氣中的氧濃度較高，所以O2會進入含氧量較低的血液中與Hb結合；同時，血液中的CO2也會在到達肺泡時從血液進入肺泡內壁的液體，然后再釋放到空氣中。同時，研究表明磁場可以提高血氧飽和度[22, 34]，這為進一步研究磁場對生物體內O2的利用及其醫學應用奠定了基礎。

3 生物學機制及其醫學應用

基于上述對磁場的基本特性描述、基礎應用研究及機體通過呼吸系統和循環系統進行O2的運輸和利用過程中有關O2等物質的磁特性描述，科學家們發現，各種磁場均會對機體O2的利用產生一定的促進作用。科學家們對其的研究不僅僅停留在理論機制方面，還嘗試將其應用于醫學領域。科學家們還希望通過利用磁場調節機體對O2利用的機制用于呼吸窘迫患者以及康復治療人群中。這部分將從磁場促進生物體內O2利用的生物學機制入手，討論該領域的醫學應用以及發展前景。

3.1 磁場促進生物體內氧氣利用的生物學機制

現有文獻從以下幾方面總結了磁場影響機體對O2利用的生物學機制。

3.1.1 血液黏度

有文獻報道，紅細胞中Hb含鐵，施加磁場后紅細胞以短鏈、流線運動的形式連在一起，這種效果降低了血液黏度，如圖1所示。圖1a為在不施加磁場的情況下，紅細胞在血漿中隨機分布；圖1b為在1.33T強磁場作用1min后，形成了紅細胞短鏈；圖1c為在1.33T強磁場作用12min后，紅細胞聚集形成長簇鏈狀；圖1d為聚集的紅細胞團簇，具有有利于流動動力學的形狀，導致黏度進一步降低[35]。

圖1 磁場作用下紅細胞的形態變化

在給血液施加1.3T磁場（約1min），就能將血液黏稠度降低20%～30%。當移除磁場數小時后會恢復原來的黏稠狀態[35]。運動的帶電粒子會受到磁場力的作用，紅細胞表面帶電荷，在流過外加磁場作用區域時受到吸力作用，可使其表面電荷集中，從而增強紅細胞間斥力，降低血液黏度。影響血液黏度的因素包括聚集指數、紅細胞壓積、紅細胞變形能力和血漿黏度等。Sprague-Dawley（SD）大鼠曝露于極低頻電磁場（電磁場頻率固定為50Hz，磁感強度為140mT，每天5 h）30 天后，曝露組和對照組相比，大鼠全血血液黏度在高切變率、中切變率、低切變率時降低，曝露組紅細胞聚集指數降 低[36]。隨機抽取5只成年綿羊，將血液標本置于交變強磁場（約0.9T，50～70Hz）中。與對照組相比，磁場組全血高切黏度降低、全血低切黏度和血漿黏度均降低。磁場組雙凹盤的弧度和細胞體積均大于對照組[37]。交變磁場（6mT，50Hz，每日曝磁一次，20/40min/次）對小鼠的紅細胞壓積、全血黏度有降低作用，降低程度與作用時間有關[38]。因此磁場對血液黏度影響是通過磁場類型、強度、作用時間的綜合作用的結果。

同時有研究表明，SMF對未麻醉倉鼠紅細胞毛細血管流動有一定影響，即毛細血管網的血流量受到與血管垂直的穩恒強磁場的影響。與基線值相比，曝露在閾值水平約500mT以上，導致橫紋肌毛細血管中紅細胞流速顯著降低。在最大電場強度為587mT時，流速降低了40%以上。當電場強度降低到閾值以下時，流量減少呈現可逆的過程。相比之下，在不同曝露水平下毛細血管直徑、動脈直徑和功能血管密度平均值變化不超過5%[39]。另有體外實驗結果表明，血液黏度的增加與血氧合程度呈非線性關系，血液黏度的增加不僅依賴血液氧合，而且與血液流動的剪切速率等有關，這種非線性效應可以實現SMF調節局部血流的目的[40]。

生物體的血液黏度、毛細血管的流量直接關乎組織的氧運輸，通過外加磁場可以降低血液黏度，促進生物體內O2的利用，但是由于機體的復雜性以及自身反饋機制的特殊性，還包括剪切率等因素也會對此過程產生影響，因此，通過外加磁場可以實現機體對O2的利用調節，但是現階段的研究僅停留在體外或單因素基礎研究層面，距離真正的實際應用還有很長的路要走。

3.1.2 紅細胞活性、攜氧能力

外加磁場可以直接增強紅細胞本身的活性以及攜氧能力，從而提高攜氧量。0.2T SMF可以提高紅細胞的變形能力，增強紅細胞的活性，細胞變形越大，相應的血液黏度會降低[41]。低溫處理可誘發實驗性高黏血癥，梯度磁場（12塊，每塊磁化強度為40奧斯特）處理使紅細胞攜氧能力增強，緩解了機體相對缺氧狀態，與阻止紅細胞增生有關[42]。李輝等發現家兔離體血經電磁鐵產生不同磁場強度（0.05～0.35T）的磁場經不同照射時間（10～50min）處理后增加了紅細胞表面電荷，認為可能是血液黏度降低的一個主要原因[43]。于玲娜等[44]應用磁療機（磁感應強度為0.08～0.09T，磁片同名極放置，兩極間距1.5cm，磁表面積20cm2）作用于試管內離體血液，然后電鏡觀察發現紅細胞稀薄、體積明顯增大、攜氧能力明顯增強。但還有研究證明，正常人的離體血液經磁場處理后，紅細胞體積增大、細胞攜氧量增加，而全血黏度、紅細胞壓積無明顯變化[45]。

3.1.3 血紅蛋白氧合狀態

外加磁場不僅因Hb氧合狀態的不同而對O2利用產生不同的影響，而且也可直接影響Hb的氧合狀態，進而影響機體的O2運輸擴散。當模型血管中含有高鐵血紅蛋白或脫氧血紅蛋白的順磁性紅細胞的懸浮液流動時，紅細胞被較強的磁場（即側支方向）吸引，并檢測到大量紅細胞流向側支。對于含有高鐵血紅蛋白的紅細胞懸浮液，紅細胞壓積約為5%時，向側枝過度流動的紅細胞最多，并且磁場的作用隨流速的增大而減小[46]。還有研究在無細胞實驗中單獨利用臨床用的脈沖調制射頻信號和SMF，以增加人Hb的脫氧率，未來有望在臨床相關的電磁場介導的生長和修復領域進行深入研究[47]。

不同形式的磁場可通過上述因素對機體利用O2產生一定的影響，但是實現實驗對象和磁場之間的生物學效應最大化關聯的研究，既要選擇好磁場類型、強度、作用時間等一系列具體參數，還要針對實驗對象等條件進行量效學關系的研究，因此很多科學問題有待深入且系統的基礎實驗論證。

3.2 醫學應用與展望

已有很多基礎研究發現，不同的磁場可從不同的生物學機制促進機體對O2的利用，同時科學家們也將其成果應用于醫學領域。還有針對缺氧癥狀和最近流行的新冠病毒肺炎，科學家們希望利用外加磁場提出可行性方案緩解呼吸困難和用于患者的康復診療中。

3.2.1 磁場調節氧代謝的醫學應用

利用磁場可以加速機體的氧代謝，改善異常狀況的呼吸-循環系統。有研究團隊對7名健康成年人進行低頻重復的經顱磁刺激（1Hz），20min后觀察運動皮層、腦血流（Cerebral Blood Flow, CBF）和組織氧合的變化，發現刺激使同側中位CBF顯著增加（33%）。在受刺激的半球，氧消耗代謝率顯著增加（28%）[48]。采用恒定磁場（250mT，1次/日，1次20min，間斷治療共計20日）有氧方法，充分利用磁場改善面神經的血氧供應，促進軸流運動，使受損的面神經髓鞘和軸突得以修復、再生，經觀察，治療病程3個月以上，頑固性面癱136例收到顯著效果，總的有效率為99.26%[49]。王柳青團隊[50]觀察31例腦血管病患者離體血液經過2.93T SMF作用后，血液黏度明顯降低，尤其腦血栓的降低更明顯。由此可見，磁場調節氧代謝的目的和意義主要在于改善異常狀況下的呼吸-循環系統障礙。未來在醫學上的應用應當聚焦于呼吸困難和與氧代謝相關的循環系統障礙疾病有關的輔助治療手段。

3.2.2 COVID-19的康復治療

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）自2019年12月起，到目前為止已造成全球約10 038多萬人確診，對人類的生命健康、國家經濟造成了嚴重威脅和影響。患者會出現發熱、乏力、咳嗽等癥狀，還會引起嗅覺失靈、神經系統損害進而引起不同程度的腦損傷、孕婦胎盤損傷等，其中，肺纖維化癥狀以及呼吸障礙等也是臨床面臨的棘手問題。哥倫比亞大學歐文醫學中心研究人員通過一個回顧性觀察研究，發現黃斑變性病史和凝血障礙病史（血小板減少癥、血栓形成和出血）與COVID-19高風險發病率和死亡率相關[51]。2020年2月，劉良團隊通過一新冠肺炎死亡尸體系統解剖大體觀察報告，發現患者紅細胞數目和Hb值降低，死亡前3天血氧飽和度下降至70%～80%，面罩吸氧加大氧流量（40L/min，O2濃度為60%）后血氧飽和度上升至98%左右。尸檢結果還表明，死者肺部損傷明顯，主要引起深部氣道和肺泡損傷、肺部纖維化與實質病變[52]。

新型冠狀病毒入侵時的細胞受體是ACE2，而在肺臟中ACE2蛋白主要存在于Ⅱ型肺泡細胞和分泌細胞（club cell）這兩種肺臟祖細胞表面，新型冠狀病毒進入呼吸道后，就在這些祖細胞內進行復制并損傷肺臟。在患者中，紅細胞數目和Hb含量減少，使血液攜氧能力降低或與Hb結合的氧不易釋出，導致組織細胞供氧不足而引起缺氧，引起患者呼吸困難，使得血氧飽和度明顯下降。肺是呼吸系統和循環系統的重要器官，對于氣體交換起著至關重要的作用，肺損傷和肺部病變又進一步加重呼吸衰竭癥狀，整個過程是一個復雜的惡性循環過程，影響因素較多，最終導致患者的死亡。因此設想可將磁場應用于患者的治療康復中。已有研究發現，對臨床37例放射性肺纖維化患者，應用交變磁場15天后，患者的臨床癥狀和呼吸生物力學障礙均得到全面緩解[9]。

希望結合磁場相關設備在面罩吸氧和呼吸機應用方面提高機體對O2的利用，改善患者的生命體征，尤其極大改善呼吸困難癥狀。

4 結論

本文立足于磁場和O2的基本概念，以O2的順磁性及其在不同生理狀態下具有不同的磁特性為出發點，基于現有文獻綜述了磁場在促進體內外氧氣利用的多種生物學機制，包括血液黏度、紅細胞活性、毛細血管血流量、血紅蛋白氧合等的影響，進一步總結了磁場在醫學氧代謝應用方面的成果和案例，并結合高原缺氧和當下新冠疫情患者的呼吸困難癥狀，進行了外加磁場在該方面研究的展望，以期緩解癥狀并用于康復治療。

此外，如何將磁場相關設備與目前已有的面罩吸氧和呼吸機等醫療設備相結合；如何將氧氣靶向精準地輸送到缺氧病變組織和器官；如何將機體內的氧氣濃度控制在閾值范圍內，不會對機體產生毒害作用等這些關鍵技術均需繼續進行系統且深入的研究。希望科學家們在已有成果和后續研究的基礎上，能夠為研發出電工醫學交叉領域的促進O2利用的新型“藥物”提供更多的理論依據，為康復理療奠定基礎。

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Mechanism of Magnetic Field Promoting Oxygen Utilization in Organism and Its Medical Application

1,2,3,41,31,31,31,31,2,3

（1. School of Life Sciences Northwestern Polytechnical University Xi’an 710072 China 2. Research & Development Institute of Northwestern Polytechnical University in Shenzhen Shenzhen 518057 China 3. Key Laboratory for Space Bioscience and Biotechnology Institute of Special Environment Biophysics Northwestern Polytechnical University Xi’an 710072 China 4. Yangtze River Delta Research Institute Northwestern Polytechnical University Taicang 215400 China）

Magnetic field plays an important role in the generation, evolution and reproduction of life on earth. The survival of life is inseparable from oxygen (O2), which is an essential substance for the physiological activities of most living organisms. As a non-invasive physical condition, magnetic field can promote the utilization of O2in living organism under certain conditions. This paper starts with the basic concepts of magnetic field and O2, summarizes the biomechanism of magnetic field promoting the utilization of O2in living organisms based on the existing literature. Some applications of magnetic field in the related diseases/symptoms of respiratory-circulatory system disorders diseases are presented. With the concept of alleviating the hypoxia symptoms of O2metabolism disorders and improving the respiratory distress of patients with new coronary heart disease, using the interdisciplinary advantages of electrical engineering and medicine, this paper intends to solve the key technology and development needs of promoting O2utilization in this field, and also looks forward to its development prospects.

Magnetic field, oxygen, biomechanism, medical application

Q64; TM12; R35

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201254

國家自然科學基金項目（51777171）、國家重點研發計劃項目（2018YFC0115303）和深圳市自然基金基礎研究面上項目（JCYJ20190806145818081）資助。

2020-09-21

2020-10-09

苑曦宸 男，1987年生，博士，研究方向為生物智能傳感器以及微流控芯片制造-生物檢測與調節等。E-mail: xichen.yuan@nwpu.edu.cn

商 澎 男，1964年生，教授，研究方向為不同物理條件下骨骼系統重建代謝平衡系統生物醫學基礎問題、磁場等物理因素在骨骼系統健康維護中的應用基礎問題以及骨骼系統健康維護的生物醫藥學與醫學工程轉化問題。E-mail: shangpeng@nwpu.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）