孕期超聲輻照對仔鼠的影響

姜小凡，張鳳娟，巴馨悅，韓 柳，李玲玲，孫丹丹

(吉林醫(yī)藥學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)部，吉林 吉林 132013)

超聲波是一種可在彈性介質(zhì)中傳播且頻率高于人類聽覺上限(20 kHz)的聲波。超聲檢查在臨床實踐及醫(yī)學(xué)研究中被大規(guī)模、高頻次地使用，同時也是孕期首選的影像學(xué)檢查方法。超聲波所攜帶的能量在與生物各器官相互作用獲取其聲學(xué)信息的同時，也會通過熱效應(yīng)、聲流效應(yīng)、機械效應(yīng)、空化效應(yīng)等機制，對生物本身產(chǎn)生影響，即超聲生物效應(yīng)[1]。各組織、器官對于超聲照射的敏感性不同，胚胎時期的敏感性更高且遠期危害更大。本文對超聲輻照對胚胎及仔鼠的影響及相關(guān)機制總結(jié)如下。

1 超聲輻照對仔鼠生長發(fā)育和行為習(xí)慣的影響

1.1 生長發(fā)育

人們早期認(rèn)為超聲對胎兒不產(chǎn)生任何影響。1988年，Moore等[2]在臨床回顧性研究中發(fā)現(xiàn)，孕期超聲輻照可以導(dǎo)致人類胎兒出現(xiàn)低出生體重和生長發(fā)育遲緩的現(xiàn)象。此后，更多學(xué)者把目光放在超聲的安全性上。Suresh等[3]發(fā)現(xiàn)妊娠期14～16 d的母鼠暴露于診斷劑量的超聲30 min后，仔鼠體長和重量明顯下降，即長時間的超聲輻照可以延緩仔鼠的生長發(fā)育。

1.2 神經(jīng)行為及學(xué)習(xí)記憶能力

超聲輻照可以影響仔鼠的神經(jīng)行為和學(xué)習(xí)記憶能力。在早、中、晚孕期單次超聲(3.0 MHz,MI=1.6,TIS=1.8)照射30 min或重復(fù)輻照20 min以上，對仔鼠進行Morris水迷宮測試，結(jié)果顯示其學(xué)習(xí)記憶能力下降[4]。Devi等[5]對妊娠14.5 d的孕鼠分別進行10、20、30 min的超聲輻照(3.5 MHz,ISATA=40 mW/cm2)，發(fā)現(xiàn)3組仔鼠的表現(xiàn)活動和探究活動減少，學(xué)習(xí)能力降低，且隨時間的延長降低程度明顯升高。

1.3 超聲輻照影響仔鼠生長發(fā)育及學(xué)習(xí)能力的機制

1.3.1神經(jīng)細(xì)胞的損傷

王藝曉等[6]研究顯示超聲輻照后(1.5～5.5 MHz,MI=0.8,TIB=0.8)子代生長發(fā)育的延遲，可能與神經(jīng)組織的損傷有關(guān)。劉艷等[7]在電鏡下觀察到孕期輻照(3～5 MHz)20 min，仔鼠的生長發(fā)育遲緩，部分神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)線粒體腫脹，粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴張，核周隙亦腫脹。

1.3.2神經(jīng)遞質(zhì)的變化

海馬區(qū)是學(xué)習(xí)記憶的關(guān)鍵腦區(qū)，豐富的膽堿能纖維和膽堿敏感細(xì)胞及其受體分布在海馬-邊緣系統(tǒng)。賈美群[8]發(fā)現(xiàn)輻照(2.2 MHz,輸出功率1 W,聲強0.08 W/cm2)20 min以上仔鼠的海馬區(qū)乙酰膽堿酯酶含量升高，分解乙酰膽堿增多，使膽堿能神經(jīng)興奮減弱，從而導(dǎo)致仔鼠學(xué)習(xí)記憶能力降低。王遼菊等[9]發(fā)現(xiàn)中、高聲強的超聲輻照(3.5 MHz,聲強為4 W/cm2和8 W/cm2)可以增加乙酰膽堿酶的活性，減少乙酰膽堿的含量，減弱海馬區(qū)神經(jīng)突觸之間信息傳遞的活性，從而損傷仔鼠的神經(jīng)系統(tǒng)。Suresh等[10]研究表明仔鼠海馬背側(cè)的神經(jīng)元密度降低，單胺類物質(zhì)分泌減少，可能是導(dǎo)致仔鼠學(xué)習(xí)記憶能力下降的原因。

1.3.3神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)的破壞

Li等[11]發(fā)現(xiàn)高強度的超聲輻照(3.5 MHz,ISPTA=106 mW/cm2,MI=1.4,TIB=1.0)會使海馬區(qū)的受體(NR1、NR2B)表達減少，腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子BDNF分泌減少，神經(jīng)突觸的結(jié)構(gòu)破壞，從而使仔鼠的學(xué)習(xí)記憶能力降低。

2 超聲輻照對仔鼠各組織器官的影響

2.1 神經(jīng)組織

多項研究表明超聲通過引起孕鼠胚胎和胎鼠的組織損傷，從而影響其功能，特別是神經(jīng)組織。

超聲輻照(4～8 MHz,TI=0.2,MI=1.0)孕晚期的母鼠10 min后，胎鼠大腦皮層的神經(jīng)細(xì)胞開始出現(xiàn)凋亡的現(xiàn)象[12]。程顏苓等[13]輻照(3.5 MHz,MI=1.7,TIB=0.9)孕晚期母鼠20 min以上，胎鼠腦組織凋亡明顯增多。電鏡下顯示胎鼠腦神經(jīng)元體積縮小，胞漿內(nèi)有大量空泡，細(xì)胞核呈高電子密度，染色體向核膜靠攏聚集成塊狀或環(huán)狀。胎鼠海馬區(qū)中c-fos基因呈現(xiàn)兩次表達高峰，與神經(jīng)細(xì)胞的凋亡或壞死機制是否有關(guān)尚待研究[14]。朱海燕等[15]進一步探究了凋亡率與孕期，以及凋亡的神經(jīng)細(xì)胞與可復(fù)性輻照時間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)輻射后孕晚期的凋亡率高；而孕早期神經(jīng)細(xì)胞代謝活性高，受損后更容易修復(fù)。

細(xì)胞凋亡是生物體內(nèi)的自然現(xiàn)象，但過度的神經(jīng)凋亡會導(dǎo)致神經(jīng)的退行性變[16]。曹敏麗等[17]用3D超聲(5.5 MHz,TIB=0.5,MI=0.9)輻照孕鼠30min后，胎鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞開始出現(xiàn)間隙，隨照射時間的延長間隙增寬明顯，超聲輻照對組織的作用不斷積累，最終導(dǎo)致神經(jīng)元的損傷。

超聲輻照除誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡外，還會影響胎鼠大腦皮層神經(jīng)細(xì)胞的遷移和血腦屏障的通透性[18-19]。另有研究表明孕早期長時間的醫(yī)用超聲輻照，會造成仔鼠中樞聽覺傳導(dǎo)通路的發(fā)育障礙[20]。

2.2 其他組織

孕期進行超聲輻照還影響仔鼠的心肌、血液、小腸上皮、腎小管上皮、骨和軟骨等其他組織的生長。

2.2.1心肌細(xì)胞和小腸上皮細(xì)胞

賈化平等[21]發(fā)現(xiàn)孕中期母鼠超聲(3.0 MHz,MI=1.6,TIS=1.8)輻照20 min以上，胎鼠的小腸上皮細(xì)胞凋亡增多，電鏡下出現(xiàn)凋亡的超微結(jié)構(gòu)改變，但影響輕微。輻照30 min以上可導(dǎo)致胎鼠的心肌細(xì)胞發(fā)生凋亡，在幼仔時期消失，即中孕期長時間照射引起胎鼠心肌細(xì)胞大量的凋亡在后期可以恢復(fù)[22]。

2.2.2腎小管上皮細(xì)胞

長時間超聲輻照后胎鼠腎臟重量減少[3]，腎小管上皮細(xì)胞凋亡增多，電鏡檢查發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)染色質(zhì)濃縮邊集、線粒體腫脹等超微結(jié)構(gòu)變化[23]。

3 超聲誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的信號蛋白

孕期超聲輻照會導(dǎo)致仔鼠不同部位的細(xì)胞發(fā)生凋亡，目前超聲輻照誘導(dǎo)仔鼠細(xì)胞凋亡的機制并不明確。許多研究人員通過測定細(xì)胞凋亡信號通路上的蛋白發(fā)現(xiàn)，有些基因在長時間的超聲照射下會發(fā)生異常表達，促使細(xì)胞發(fā)生凋亡[24]。

3.1 P53蛋白

超聲長時間輻照(3.0 MHz,MI=1.6,TI=1.8)早孕期孕鼠，胚胎組織內(nèi)的細(xì)胞核中P53蛋白表達增強[25]。趙晶等[26]發(fā)現(xiàn)單次或者重復(fù)超聲輻照(3.0 MHz,MI=1.6,TI=1.8)晚孕期孕鼠20 min以上，凋亡的神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)P53蛋白表達上調(diào)。

3.2 Bcl-2家族蛋白、胱天蛋白酶

細(xì)胞凋亡的兩條信號通路分別為線粒體介導(dǎo)和受體介導(dǎo)，它們之間相互交叉，Bcl-2家族蛋白和胱天蛋白酶在其中起著關(guān)鍵的作用[27]。實時三維超聲輻照(2.4～5.9 MHz,MI=1.0,TIS=0.2)可引起小鼠大腦神經(jīng)細(xì)胞凋亡增加，促凋亡基因胱天蛋白酶-3、胱天蛋白酶-9表達的蛋白含量增加，并隨時間的延長增加明顯[28]。長時間的超聲輻照(3.0 MHz,MI=1.6,TIS=1.8)會導(dǎo)致胎鼠腎臟中抑凋亡基因Bcl-2表達降低[29]。

王藝曉等[30]發(fā)現(xiàn)超聲(1.5～5.5 MHz,MI=0.8,TIB=0.8)輻照20、30 min組海馬組織中線粒體介導(dǎo)的促凋亡基因Bax、Cyt-c、胱天蛋白酶-9、胱天蛋白酶-3表達量出現(xiàn)上調(diào)，而Bcl-2表達呈下調(diào)趨勢。輻照10 min組與對照組無明顯的差異。說明實時三維超聲長時間輻照會通過線粒體途徑，激活海馬區(qū)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡通路。

雖然部分研究已經(jīng)證實超聲輻照孕早期的胎鼠產(chǎn)生的損傷能在胎兒期修復(fù)，但大量研究并沒有進行隨訪觀察。超聲對于各組織的影響是否能在短期自行修復(fù)以及需要多長時間，還需要進一步的研究。很多實驗在超聲輻照24 h內(nèi)取出胎鼠，一些非即刻反應(yīng)物質(zhì)因沒有足夠長的時間發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。由于孕鼠子宮呈帶狀，超聲儀器輻照胎鼠部位、范圍的不同，可能對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。超聲引起胎鼠各組織細(xì)胞的凋亡機制，學(xué)習(xí)行為減退是否僅由于神經(jīng)細(xì)胞凋亡或者膽堿能系統(tǒng)的紊亂引起的，還有很多問題的原因目前尚未明確。

人類的胚胎各個器官組織的細(xì)胞遷移和凋亡時間與胎鼠不同，但上述研究結(jié)果仍然提示我們，孕期進行超聲相關(guān)檢查或治療時應(yīng)避免高聲強、長時間照射，以減少超聲可能對胚胎產(chǎn)生的不良影響。