磁场促进生物体内氧气利用的机制及其医学应用

苑曦宸1,2,3,4 张 彬1,3 孟智悦1,3 王建萍1,3 尹大川1,3 商 澎1,2,3

(1. 西北工业大学生命学院 西安 710072 2. 西北工业大学深圳研究院 深圳 518057 3. 西北工业大学空间生物实验模拟技术国防重点学科实验室 西安 710072 4. 西北工业大学长三角研究院 太仓 215400)

摘要 磁场在地球生命的产生、演化与繁衍中起着至关重要的作用。生命的存活离不开氧气(O2),O2是大部分生物体生理活动的必需物质。磁场作为非侵入式物理条件,在一定条件下可以促进生物体内O2的利用。该文从磁场和O2的基本概念入手,基于现有的文献总结磁场促进生物体内O2利用的生物学机制,展现磁场在呼吸-循环系统障碍性疾病/症状相关医学领域上的一些应用。以缓解氧代谢障碍疾病的缺氧症状和改善当下新冠患者的呼吸窘迫为理念,利用电工医学交叉学科的优势,拟解决该领域中促进O2利用的待突破关键技术和发展需求,并对此发展前景予以展望。

关键词:磁场 氧气 生物机制 医学应用

0 引言

地磁场在地球生命的产生、演化与繁衍中起着至关重要的作用,磁性也是生命体固有的属性之一。外部磁场对生命活动具有广泛的影响,例如,电磁场在工农业生产、日常生活与医疗健康中广泛应用;在人类的空间探索活动中,航天员会面临低于地球磁场的亚磁场环境[1]。物质本身的磁性不同,在磁场环境中会受到不同的作用力。生物样品整体而言大多呈抗磁性,同时生物体内也存在一些顺磁性物质。因此,将生物体的磁性质与其磁场生物学相结合有助于探讨磁场生物学效应背后的物理机制。

氧气(O2)作为大部分生物体生理活动的必需物质,对于它的运输过程以及影响其体内运输的多种因素的研究具有十分重要的意义。2019年,William G. Kaelin Jr(美国)、Gregg L. Semenza(美国)和Sir Peter J. Ratcliffe(英国)三位科学家被授予诺贝尔生理学或医学奖,以表彰他们在细胞如何感知和适应O2供应[2]方面的伟大发现。同时,O2在外界磁场作用下具有顺磁性,即O2在磁场中向磁场强度增大的方向流动[3]。这一特性也吸引了众多研究者深入探究,为磁场对生物体内O2的利用及其医学应用奠定了基础。

磁场作为非侵入式物理条件,在一定条件下可以促进生物体内O2的利用。本文将结合已有文献,从磁场和O2的基本概念入手,介绍磁场促进生物体内O2利用的生物学机制,讨论与之关联的呼吸-循环系统障碍性疾病以及相关医学应用,并对该领域的发展前景予以展望,为磁场在生物体内O2利用方面的进一步推广与应用提供一定的参考和依据。

1 磁场

1.1 磁场的定义及分类

磁体或运动的电荷周围存在磁场。磁场参数包括磁场类型、强度、梯度、方向和作用时间等。根据磁场强度和方向是否随时间发生变化,可将磁场分为动态磁场和稳恒磁场(Static Magnetic Field, SMF)。动态磁场是指磁场强度或方向随时间的变化而改变的磁场,包括交变磁场、射频磁场、脉冲磁场和旋转磁场等。SMF是指磁场强度和方向不随时间的变化而变化的磁场。SMF是磁场中最基本的形式,根据磁感应强度的大小,SMF可以被人为地分为亚磁场(<5mTwidth=7,height=12.9[4]、弱磁场(5mT~1mT)、中强磁场(1mT~1T)和强磁场(>1T)[5]。磁场梯度是指磁感应强度随空间位移的变化率,用dB/dx表示。非均匀磁场中,dB/dx≠0;均匀磁场中,dB/dx=0。

1.2 磁场与磁力

从物质的基本物理性质来看,组成物质的原子和分子等物理单元都具有磁性。物质的磁性常用磁矩、磁化强度、磁导率、磁化率和磁各向异性等参数来表征。具有磁矩的载流回路、电子、分子或行星等处于外磁场会感受到力矩。磁化强度M是物质单位体积的平均磁矩,磁导率m 表示物质中磁通密度B和与之对应的外加磁场强度H之比,即m =B/H[6],它的数值大小表示磁力线透过该物质的难易程度。磁化率width=10.75,height=11.8是物质磁化强度与外加磁场强度的比值,即width=10.75,height=11.8=M/H。磁各向异性是指物质在不同的方向上具有不同的磁性。物质的磁性大致可分为顺磁性、抗磁性和铁磁性[7]。梯度磁场会对置于其中的不同磁性的物体产生不同的磁力作用,如放置在永磁体所产生梯度SMF中的抗磁性物质会受到向外排开的磁力作用,即磁力的方向朝向磁场强度较低的区域。而顺磁性和铁磁性的物质会受到朝向磁场强度较高的“吸引力”。

物质在磁场中所受磁力F的大小与其自身质量m、磁化率width=10.75,height=11.8、所在位置的磁感应强度B以及磁场梯度dB/dx成正比[7],即

width=53.2,height=27.95 (1)

地球生命的产生、演化与繁衍均是在属于SMF的地磁场中进行的。人为改变的磁场环境对生命具有广泛影响[4, 8-9]。由于磁场的基本特征是对运动电荷具有力的作用,进而产生能量转换,因此在研究电磁场与生物系统相互作用时,必须了解生物系统本身的电磁特性。大多数生物体的主要组成部分都是水,而水的磁性为弱抗磁性(其体积磁化率width=10.75,height=11.8= -9.05×10-6[10]。同时生物体内也存在一些顺磁性的物质,如氧、自由基和含有许多未成对电子的生物分子;铁在溶液中或大部分生理条件(如当铁与红细胞中的血红蛋白(Hemoglobin, Hb)相结合时)下具有顺磁性等[11-12]。气体在磁场中的磁效应可表现为抗磁性气体在磁场中向磁场强度减小的方向流动,顺磁性气体在磁场中向磁场强度增大的方向流 动[3]。例如,氧气分子是一种罕见的顺磁性气体分子,其他气体分子呈微弱顺磁性或抗磁性。在梯度磁场中,往往会聚集在磁场强度大的区域。因此,含有一定浓度O2的气体在磁场中产生压力差[13]

磁场不会随着生物材料的深入而衰减,因此磁场诱导的力对生物样品提供独特的控制。疟疾寄生虫感染红细胞后消化Hb,留下的血红素聚集成不溶性棕色血红素。血红素,特别是b-血红素,具有一种磁性结构,这种结构是一种合成生物材料。b-血红素的分子结构和组成通常是Fe3O4或Fe3S4的单磁畴晶体,当置于梯度磁场中会受到磁场力Fm的作 用[14],有

width=166.05,height=31.7 (2)

式中,mmedium为介质的磁导率;mparticle为粒子(血红素)的磁导率;width=10.75,height=10.2为粒子的半径;H为磁场强度。

红细胞中血红素水平是检测和分离疟原虫感染红细胞的关键物理特性。因此,大梯度SMF已经被应用于红细胞分离以及疟疾感染细胞的分离和诊 断[14]。文献[10]对人鼻咽癌细胞CNE-2Z细胞进行超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Inter- ferometer Devices, SQUID)检测分析,证实了细胞内部存在顺磁性物质,并且通过细胞分离以及大梯度强磁场下的细胞成像分析,证实细胞核与细胞质之间的磁性差异,可以导致细胞核与细胞质在大梯度强磁场中的相对位移发生改变。文献[8]中使用的超导磁体可在竖直方向的磁体腔室产生大梯度强磁场。磁性生物物质置于大梯度强磁场中会在磁感应强度变化的方向受到磁场力的作用。例如,文献[15]研究结果表明,带电的DNA在梯度磁场中受力可以导致DNA合成受到抑制,尽管影响比较小,但这对于深入理解磁场的生物效应具有根本意义。此外,磁场会对置于其中的物质产生磁力矩。当物质本身的磁矩方向与外加磁场方向不一致时,物质由于所受力矩的作用而产生扭转,从而使物体的磁矩倾向于与外磁场方向一致。因此,当物质磁矩与外加磁感应强度方向相同时能量最低,而反向时能量最高。文献[16]发现,27T SMF会通过磁力矩作用于微管和染色体来影响纺锤体的取向,并且具有强度和时间依赖性。物质的抗磁各向异性也会导致外加磁场对其产生效应,尤其是取向偏转,例如,微管、微丝、DNA链、细胞膜结构[17]和表皮生长因子受体(Epidermal Growth Factor Receptor, EGFR)蛋白[18]等的取向都会受外加磁场的影响。

2 氧气

2.1 氧气的基本概念及其在人体内的运输过程

人的生存离不开O2,O2是人体生理活动的必需物质,它是氧元素中最常见的单质形态,大气中体积分数约为21%,1L水中溶解约为30mL O2[19]。O2在人的气体交换过程中,实质上是肺泡与血液之间通过扩散作用进行的。O2能进入血液的关键在于肺中的肺泡,在肺内,肺泡气的氧分压为103mmHg(1mmHg=133.322Pa),而静脉血中的氧分压为40mmHg,分压差为63mmHg,所以O2可以从肺泡中扩散进入静脉血;而肺泡气和静脉血中二氧化碳(CO2)分压分别为40mmHg和46mmHg,分压差约为6mmHg,所以CO2从静脉血中扩散入肺泡[20]。当血液中的O2和CO2分压与肺泡气压达到平衡时,静脉血变为动脉血。之后血液流回心脏并被输送到全身各处,到达毛细血管后,再与组织细胞通过分压差进行气体交换。一般O2需要通过血液、毛细血管壁、组织液、细胞膜和细胞内途径才能进入细胞,而CO2则通过相反的途径进入血液。

O2在血液中运输的形式有两种:一是物理溶解(1.5%),即气体分子直接溶解于血浆中;另一种是化学结合(98.5%),即气体分子与血液中某一化学物质结合。O2在血液里存在的主要形式是氧合血红蛋白,Hb在氧含量高的地方与氧结合,每克Hb可携带1.34mL O2

在O2运输过程中,血液黏度、红细胞形态及分布、血流量、剪切速率、Hb等会对其产生影响。红细胞在全血中所占的容积百分比为红细胞比容(Hematocrit, Hct),正常状态下,Hct与Hb及红细胞之间呈正相关。Hct适当增加可以提高血液携氧的能力,从而提高血氧含量和血氧容量。但Hct如果过度增加,则会增大血液黏度,使血流量降低,对组织的氧供应不利。钟南山等[21]通过对吸烟的糖尿病组及非吸烟对照组的Hb进行研究,发现吸烟的糖尿病人组Hb平均值显著高于对照组,说明血中糖化血红蛋白及一氧化碳血红蛋白对降低O2运输有迭加作用。还有文献报道[22],通过加入磁场作用,使高粘血症患者红细胞表面负电荷增加,沉降率降低,血液黏度降低,且使红细胞携氧能力增强,提高了血氧饱和度。

2.2 氧气在人体中的磁特性

O2在外界磁场作用下呈现顺磁性,O2的质量磁化率为+43.34×10-6m3/kg,体积磁化率为146×10-6[23],其磁化率比一般气体的磁化率高出数百倍[24]。一般情况下,O2的磁化率随温度的变化遵从居里定律width=10.75,height=11.8=C/T,其中,C为居里常数,T为温度[25]。N. I. Wakayama等[26]研究发现,梯度磁场会通过磁力作用使氧气分子产生气流从而促进扩散火焰的燃烧。其他团队也证明了梯度磁场可以有效地增强空气中O2的定向扩散作用[27],揭示了梯度磁场作用下外部O2在人的气体交换过程中的正相关性,并由理论计算得出,作用在单个氧气分子上的磁场力与磁感应强度和磁场梯度的乘积成正比,而与温度成反比,与压力无关。

生物体内的任何物体均具有磁性。Hb作为O2在血液里结合的主要对象,它的辅基血红素是铁卟啉化合物,一定强度的SMF可以改变Hb的分子结构与分子内相互作用[28],从而提高血氧含量和血氧容量。红细胞内含有大量Hb,它们表现出一定的磁特性。P. L. Croal等通过研究不同Hb状态(正常、氧化和还原)下SMF对红细胞的影响发现,血液中红细胞的抗磁性与Hb的氧合状态相关[29],间接证明了SMF可以促进血氧结合,提高血氧含量[30]。L. Pauling等表示,脱氧的亚铁血红蛋白中铁原子与血红素基团和珠蛋白链的其余部分之间的化学键是离子键,而在氧化的亚铁血红蛋白中则为共价键[31-32]。由于氧合血红蛋白共价键的存在,其血红素基团不含未配对电子,所以氧合血红蛋白是抗磁性的,而脱氧血红蛋白是顺磁性的[33]。所以当红细胞脱氧时,其抗磁性降低,在磁场的作用下,顺磁性的脱氧血红蛋白的流动性增强,使其接触O2的概率提高,从而提高血氧含量[34]

总之,从鼻、口中吸入空气,之后送到肺泡,因空气中的氧浓度较高,所以O2会进入含氧量较低的血液中与Hb结合;同时,血液中的CO2也会在到达肺泡时从血液进入肺泡内壁的液体,然后再释放到空气中。同时,研究表明磁场可以提高血氧饱和度[22, 34],这为进一步研究磁场对生物体内O2的利用及其医学应用奠定了基础。

3 生物学机制及其医学应用

基于上述对磁场的基本特性描述、基础应用研究及机体通过呼吸系统和循环系统进行O2的运输和利用过程中有关O2等物质的磁特性描述,科学家们发现,各种磁场均会对机体O2的利用产生一定的促进作用。科学家们对其的研究不仅仅停留在理论机制方面,还尝试将其应用于医学领域。科学家们还希望通过利用磁场调节机体对O2利用的机制用于呼吸窘迫患者以及康复治疗人群中。这部分将从磁场促进生物体内O2利用的生物学机制入手,讨论该领域的医学应用以及发展前景。

3.1 磁场促进生物体内氧气利用的生物学机制

现有文献从以下几方面总结了磁场影响机体对O2利用的生物学机制。

3.1.1 血液黏度

有文献报道,红细胞中Hb含铁,施加磁场后红细胞以短链、流线运动的形式连在一起,这种效果降低了血液黏度,如图1所示。图1a为在不施加磁场的情况下,红细胞在血浆中随机分布;图1b为在1.33T强磁场作用1min后,形成了红细胞短链;图1c为在1.33T强磁场作用12min后,红细胞聚集形成长簇链状;图1d为聚集的红细胞团簇,具有有利于流动动力学的形状,导致黏度进一步降低[35]

width=249.3,height=185.35

图1 磁场作用下红细胞的形态变化

Fig.1 Morphological changes of red blood cell under magnetic field

在给血液施加1.3T磁场(约1min),就能将血液黏稠度降低20%~30%。当移除磁场数小时后会恢复原来的黏稠状态[35]。运动的带电粒子会受到磁场力的作用,红细胞表面带电荷,在流过外加磁场作用区域时受到吸力作用,可使其表面电荷集中,从而增强红细胞间斥力,降低血液黏度。影响血液黏度的因素包括聚集指数、红细胞压积、红细胞变形能力和血浆黏度等。Sprague-Dawley(SD)大鼠曝露于极低频电磁场(电磁场频率固定为50Hz,磁感强度为140mT,每天5 h)30 天后,曝露组和对照组相比,大鼠全血血液黏度在高切变率、中切变率、低切变率时降低,曝露组红细胞聚集指数降 低[36]。随机抽取5只成年绵羊,将血液标本置于交变强磁场(约0.9T,50~70Hz)中。与对照组相比,磁场组全血高切黏度降低、全血低切黏度和血浆黏度均降低。磁场组双凹盘的弧度和细胞体积均大于对照组[37]。交变磁场(6mT,50Hz,每日曝磁一次,20/40min/次)对小鼠的红细胞压积、全血黏度有降低作用,降低程度与作用时间有关[38]。因此磁场对血液黏度影响是通过磁场类型、强度、作用时间的综合作用的结果。

同时有研究表明,SMF对未麻醉仓鼠红细胞毛细血管流动有一定影响,即毛细血管网的血流量受到与血管垂直的稳恒强磁场的影响。与基线值相比,曝露在阈值水平约500mT以上,导致横纹肌毛细血管中红细胞流速显著降低。在最大电场强度为587mT时,流速降低了40%以上。当电场强度降低到阈值以下时,流量减少呈现可逆的过程。相比之下,在不同曝露水平下毛细血管直径、动脉直径和功能血管密度平均值变化不超过5%[39]。另有体外实验结果表明,血液黏度的增加与血氧合程度呈非线性关系,血液黏度的增加不仅依赖血液氧合,而且与血液流动的剪切速率等有关,这种非线性效应可以实现SMF调节局部血流的目的[40]

生物体的血液黏度、毛细血管的流量直接关乎组织的氧运输,通过外加磁场可以降低血液黏度,促进生物体内O2的利用,但是由于机体的复杂性以及自身反馈机制的特殊性,还包括剪切率等因素也会对此过程产生影响,因此,通过外加磁场可以实现机体对O2的利用调节,但是现阶段的研究仅停留在体外或单因素基础研究层面,距离真正的实际应用还有很长的路要走。

3.1.2 红细胞活性、携氧能力

外加磁场可以直接增强红细胞本身的活性以及携氧能力,从而提高携氧量。0.2T SMF可以提高红细胞的变形能力,增强红细胞的活性,细胞变形越大,相应的血液黏度会降低[41]。低温处理可诱发实验性高黏血症,梯度磁场(12块,每块磁化强度为40奥斯特)处理使红细胞携氧能力增强,缓解了机体相对缺氧状态,与阻止红细胞增生有关[42]。李辉等发现家兔离体血经电磁铁产生不同磁场强度(0.05~0.35T)的磁场经不同照射时间(10~50min)处理后增加了红细胞表面电荷,认为可能是血液黏度降低的一个主要原因[43]。于玲娜等[44]应用磁疗机(磁感应强度为0.08~0.09T,磁片同名极放置,两极间距1.5cm,磁表面积20cm2)作用于试管内离体血液,然后电镜观察发现红细胞稀薄、体积明显增大、携氧能力明显增强。但还有研究证明,正常人的离体血液经磁场处理后,红细胞体积增大、细胞携氧量增加,而全血黏度、红细胞压积无明显变化[45]

3.1.3 血红蛋白氧合状态

外加磁场不仅因Hb氧合状态的不同而对O2利用产生不同的影响,而且也可直接影响Hb的氧合状态,进而影响机体的O2运输扩散。当模型血管中含有高铁血红蛋白或脱氧血红蛋白的顺磁性红细胞的悬浮液流动时,红细胞被较强的磁场(即侧支方向)吸引,并检测到大量红细胞流向侧支。对于含有高铁血红蛋白的红细胞悬浮液,红细胞压积约为5%时,向侧枝过度流动的红细胞最多,并且磁场的作用随流速的增大而减小[46]。还有研究在无细胞实验中单独利用临床用的脉冲调制射频信号和SMF,以增加人Hb的脱氧率,未来有望在临床相关的电磁场介导的生长和修复领域进行深入研究[47]

不同形式的磁场可通过上述因素对机体利用O2产生一定的影响,但是实现实验对象和磁场之间的生物学效应最大化关联的研究,既要选择好磁场类型、强度、作用时间等一系列具体参数,还要针对实验对象等条件进行量效学关系的研究,因此很多科学问题有待深入且系统的基础实验论证。

3.2 医学应用与展望

已有很多基础研究发现,不同的磁场可从不同的生物学机制促进机体对O2的利用,同时科学家们也将其成果应用于医学领域。还有针对缺氧症状和最近流行的新冠病毒肺炎,科学家们希望利用外加磁场提出可行性方案缓解呼吸困难和用于患者的康复诊疗中。

3.2.1 磁场调节氧代谢的医学应用

利用磁场可以加速机体的氧代谢,改善异常状况的呼吸-循环系统。有研究团队对7名健康成年人进行低频重复的经颅磁刺激(1Hz),20min后观察运动皮层、脑血流(Cerebral Blood Flow, CBF)和组织氧合的变化,发现刺激使同侧中位CBF显著增加(33%)。在受刺激的半球,氧消耗代谢率显著增加(28%)[48]。采用恒定磁场(250mT,1次/日,1次20min,间断治疗共计20日)有氧方法,充分利用磁场改善面神经的血氧供应,促进轴流运动,使受损的面神经髓鞘和轴突得以修复、再生,经观察,治疗病程3个月以上,顽固性面瘫136例收到显著效果,总的有效率为99.26%[49]。王柳青团队[50]观察31例脑血管病患者离体血液经过2.93T SMF作用后,血液黏度明显降低,尤其脑血栓的降低更明显。由此可见,磁场调节氧代谢的目的和意义主要在于改善异常状况下的呼吸-循环系统障碍。未来在医学上的应用应当聚焦于呼吸困难和与氧代谢相关的循环系统障碍疾病有关的辅助治疗手段。

3.2.2 COVID-19的康复治疗

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)自2019年12月起,到目前为止已造成全球约10 038多万人确诊,对人类的生命健康、国家经济造成了严重威胁和影响。患者会出现发热、乏力、咳嗽等症状,还会引起嗅觉失灵、神经系统损害进而引起不同程度的脑损伤、孕妇胎盘损伤等,其中,肺纤维化症状以及呼吸障碍等也是临床面临的棘手问题。哥伦比亚大学欧文医学中心研究人员通过一个回顾性观察研究,发现黄斑变性病史和凝血障碍病史(血小板减少症、血栓形成和出血)与COVID-19高风险发病率和死亡率相关[51]。2020年2月,刘良团队通过一新冠肺炎死亡尸体系统解剖大体观察报告,发现患者红细胞数目和Hb值降低,死亡前3天血氧饱和度下降至70%~80%,面罩吸氧加大氧流量(40L/min,O2浓度为60%)后血氧饱和度上升至98%左右。尸检结果还表明,死者肺部损伤明显,主要引起深部气道和肺泡损伤、肺部纤维化与实质病变[52]

新型冠状病毒入侵时的细胞受体是ACE2,而在肺脏中ACE2蛋白主要存在于Ⅱ型肺泡细胞和分泌细胞(club cell)这两种肺脏祖细胞表面,新型冠状病毒进入呼吸道后,就在这些祖细胞内进行复制并损伤肺脏。在患者中,红细胞数目和Hb含量减少,使血液携氧能力降低或与Hb结合的氧不易释出,导致组织细胞供氧不足而引起缺氧,引起患者呼吸困难,使得血氧饱和度明显下降。肺是呼吸系统和循环系统的重要器官,对于气体交换起着至关重要的作用,肺损伤和肺部病变又进一步加重呼吸衰竭症状,整个过程是一个复杂的恶性循环过程,影响因素较多,最终导致患者的死亡。因此设想可将磁场应用于患者的治疗康复中。已有研究发现,对临床37例放射性肺纤维化患者,应用交变磁场15天后,患者的临床症状和呼吸生物力学障碍均得到全面缓解[9]

希望结合磁场相关设备在面罩吸氧和呼吸机应用方面提高机体对O2的利用,改善患者的生命体征,尤其极大改善呼吸困难症状。

4 结论

本文立足于磁场和O2的基本概念,以O2的顺磁性及其在不同生理状态下具有不同的磁特性为出发点,基于现有文献综述了磁场在促进体内外氧气利用的多种生物学机制,包括血液黏度、红细胞活性、毛细血管血流量、血红蛋白氧合等的影响,进一步总结了磁场在医学氧代谢应用方面的成果和案例,并结合高原缺氧和当下新冠疫情患者的呼吸困难症状,进行了外加磁场在该方面研究的展望,以期缓解症状并用于康复治疗。

此外,如何将磁场相关设备与目前已有的面罩吸氧和呼吸机等医疗设备相结合;如何将氧气靶向精准地输送到缺氧病变组织和器官;如何将机体内的氧气浓度控制在阈值范围内,不会对机体产生毒害作用等这些关键技术均需继续进行系统且深入的研究。希望科学家们在已有成果和后续研究的基础上,能够为研发出电工医学交叉领域的促进O2利用的新型“药物”提供更多的理论依据,为康复理疗奠定基础。

参考文献

[1] 孙芝茵, 李立毅, 潘东华, 等. 大型零磁装置屏蔽系数的计算方法[J]. 电工技术学报, 2018, 33(19): 4450-4457.

Sun Zhiyin, Li Liyi, Pan Donghua, et al. Calculation method of the shielding factor for large-scale zero magnetic field facility[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(19): 4450-4457.

[2] Fandrey J, Schödel J, Eckardt K-U, et al. Now a nobel gas: oxygen[J]. Pflügers Archiv-European Journal of Physiology, 2019, 471(11-12): 1343-1358.

[3] Faraday M. LXIV. On the diamagnetic conditions of flame and gases[J]. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1847, 31(210): 401-421.

[4] Xue Yanru, Yang Jiancheng, Luo Jie, et al. Disorder of iron metabolism inhibits the recovery of unloading- induced bone loss in hypomagnetic field[J]. Journal of Bone andmineral Research, 2020, 35(6): 1163-1173.

[5] Wang Shenghang, Luo Jie, Lü Huanhuan, et al. Safety of exposure to high static magnetic fields (2T-12T): a study on mice[J]. European Radiology, 2019, 29(11): 6029-6037.

[6] 周国华, 肖昌汉, 刘胜道, 等. 基于六面体单元表面磁场积分法求解三维静磁场[J]. 电工技术学报, 2009, 24(3): 1-7.

Zhou Guohua, Xiao Changhan, Liu Shengdao, et al. 3D magnetostatic field computation with hexahedral surface integral equation method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(3): 1-7.

[7] 曹建平, 尹大川, 骞爱荣, 等. 抗磁性物质磁悬浮方法在空间生物学与生物技术中的应用[J]. 空间科学学报, 2011, 31(1): 63-72.

Cao Jianping, Yin Dachuan, Qian Airong, et al. Application of magnetic levitation of diamagnetic materials for space biology and biotechnology[J]. Chinese Journal of Space Science, 2011, 31(1): 63-72.

[8] Qian Airong, Hu Lifang, Gao Xiang, et al. Large gradient high magnetic field affects the association of MACF1 with actin and microtubule cytoskeleton[J]. Bioelectromagnetics, 2009, 30(7): 545-555.

[9] Grushina T I. The effectiveness of magnetic therapy of grade I-II radiation pneumofibrosis[J]. Voprosy Kurortologii, Fizioterapii, I Lechebnoi Fizicheskoi Kultury, 2014(4): 13-16.

[10] Tao Qingping, Zhang Lei, Han Xuyao, et al. Magnetic susceptibility difference-induced nucleus positioning in gradient ultrahigh magnetic field[J]. Biophysical Journal, 2020, 118(3): 578-585.

[11] Deistung A, Mentzel H J, Rauscher A, et al. Demon- stration of paramagnetic and diamagnetic cerebral lesions by using susceptibility weighted phase imaging (SWI)[J]. Zeitschrift Fur Medizinische Physik, 2006, 16(4): 261-267.

[12] Zablotskii V, Polyakova T, Lunov O, et al. How a high-gradient magnetic field could affect cell life[J]. Scientific Reports, 2016, 18(6): 37407.

[13] 叶继伦, 李晨洋, 郑盛坤, 等. 基于顺磁特性的氧气浓度检测方法[J]. 中国医学物理学杂志, 2018, 35(3): 327-332.

Ye Jilun, Li Chenyang, Zheng Shengkun, et al. An oxygen concentration measurement method based on paramagnetic properties[J]. Chinese Journal of Medical Physics, 2018, 35(3): 327-332.

[14] Kasetsirikul S, Buranapong J, Srituravanich W, et al. The development of malaria diagnostic techniques: a review of the approaches with focus on dielectro- phoretic and magnetophoretic methods[J]. Malaria Journal, 2016, 15(1): 358.

[15] Yang Xingxing, Li Zhiyuan, Polyakova T, et al. Effect of static magnetic field on DNA synthesis: the interplay between DNA chirality and magnetic field left-right asymmetry[J]. FASEB BioAdvances, 2020, 2(4): 254-263.

[16] Zhang Lei, Hou Yubin, Li Zhiyuan, et al. 27T ultra- high static magnetic field changes orientation and morphology of mitotic spindles in human cells[J]. eLife, 2017, 6: e22911.

[17] Wang Zhe, Hao Fengtao, Ding Chong, et al. Effects of static magnetic fieldon cell biomechanical property and membrane ultrastructure[J]. Bioelectromagnetics, 2014, 35(4): 251-261.

[18] Zhang Lei, Wang Jihao, Wang Honglei, et al. Moderate and strong static magnetic fields directly affect EGFR kinase domain orientation to inhibit cancer cell proliferation[J]. Oncotarget, 2016, 7(27): 41527-41539.

[19] Breitburg D, Levin L A, Oschlies A, et al. Declining oxygen in the global ocean and coastal waters[J]. Science, 2018, 359(6371): aam7240.

[20] Aljoufi A, Cooper S, Broxmeyer H E. Collection and processing of mobilized mouse peripheral blood at lowered oxygen tension yields enhanced numbers of hematopoietic stem cells[J]. Stem Cell Reviews and Reports, 2020, 16(5): 946-953.

[21] 钟南山, Nairn I M, Baird J D, 等. 影响糖尿病人氧合解离曲线及氧气运输的因素[J]. 广州医学院学报, 1984, 12(1): 48-52, 118.

Zhong Nanshan, Nairn I M, Baird J D, et al. Influencing factors of oxygen dissociation curve and oxygen transport in patients with diabetes mellitus[J]. Journal of Guangzhou Medical College, 1984, 12(1): 48-52, 118.

[22] 石宏, 张凤珍, 王文刚, 等. 血液磁极化治疗高粘血症200例临床观察[J]. 河南医药信息, 2001, 9(17): 28.

Shi Hong, Zhang Fengzhen, Wang Wengang, et al. Clinical observation on 200 cases of hyperviscosity treated by blood magnetic polarization[J]. Henan Medical Information, 2001, 9(17): 28.

[23] 潘光胜, 谭震宇, 王晓龙, 等. 高氧浓度下大气压Ar/O2脉冲介质阻挡放电频率特性数值研究[J]. 电工技术学报, 2017, 32(20): 71-81.

Pan Guangsheng, Tan Zhenyu, Wang Xiaolong, et al. A numerical study on the frequency effects of the electrical characteristics of the pulsed dielectric barrier discharge in Ar/O2 with high oxygen concentration at atmospheric pressure[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2017, 32(20): 71-81.

[24] 王炳忠, 邹开凤. 基于氧的顺磁性的氧气纯度分析仪[J]. 军民两用技术与产品, 2008(6): 47-48.

Wang Bingzhong, Zou Kaifeng. The set of analysis device for pure degree of oxygen based on characteri- stic of the adjust magnetism[J]. Dual Use Techno- logies & Products, 2008(6): 47-48.

[25] 韦强, 宋克伟, 王良璧. 氧气泡在磁场中的磁化力及其氧浓度测量[J]. 兰州交通大学学报, 2006, 25(4): 157-160.

Wei Qiang, Song Kewei, Wang Liangbi. Magnetiza- tion force of oxygen bubble in magnetic field and measurement of oxygen concentration[J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University, 2006, 25(4): 157-160.

[26] Wakayama N I, Sugie M. Magnetic promotion of combustion in diffusion flames[J]. Physica B: Con- densed Matter, 1996, 216(3-4): 403-405.

[27] 栗凤超, 王立, 吴平, 等. 氧气在梯度磁场中流动及扩散行为研究[J]. 工程热物理学报, 2011, 32(11): 1907-1909.

Li Fengchao, Wang Li, Wu Ping, et al. Study of flow and diffusion behavior of oxygen in gradient magnetic field[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(11): 1907-1909.

[28] Farsaci F, Tellone E, Galtieri A, et al. Electroma- gnetic waves propagation in normal and pathological hemoglobins: thermodynamic comparative study of the influence of the relative macromolecular variabi- lity[J]. Journal of Molecular Liquids, 2019, 291: 11319.

[29] Croal P L, Leung J, Phillips C L, et al. Quantification of pathophysiological alterations in venous oxygen check for saturation: a comparison of global MR susceptometry techniques[J]. Magnetic Resonance Imaging, 2019, 58: 18-23.

[30] Zborowski M, Ostera G R, Moore L R, et al. Red blood cell magnetophoresis[J]. Biophysical Journal, 2003, 84(4): 2638-2645.

[31] Pauling L, Coryell C D. The magnetic properties and structure of the hemochromogens and related sub- stances[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1936, 22: 159-163.

[32] Pauling L, Coryell C D. The magnetic properties and structure of hemoglobin, oxyhemoglobin and carbon- monoxyhemoglobin[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1936, 22(4): 210-216.

[33] Gent W E, Abate II, Yang Wanli, et al. Design rules for high-valent redox in intercalation electrodes[J]. Joule, 2020, 4(7): 1369-1397.

[34] Sakhnini L, Khuzaie R. Magnetic behavior of human erythrocytes at different hemoglobin states[J]. European Biophysics Journal, 2001, 30(6): 467-470.

[35] Tao R, Huang K. Reducing blood viscosity with magnetic fields[J]. Physical review E, 2011, 84(1 Pt 1): 011905.

[36] 刘浩. 极低频电磁场对大鼠心血管系统的影响[D]. 兰州: 兰州大学, 2017.

[37] Tao Pengxian, Wu Xiangyang, Zhao Lingzhi, et al. Effect of high-intensity alternating magnetic field on viscosity of sheep blood[J]. Journal of Central South University, 2017, 42(12): 1395-1400.

[38] 周卫东, 刘希汉. 低频电磁场对小鼠血液流变学的影响及其安全性研究[J]. 生物医学工程研究, 1998, 17(3): 1-3.

Zhou Weidong, Liu Xihan. Effect and safety of low frequency electromagnetic field on hemorheology in mice[J]. Journal of Biomedical Engineering Research, 1998, 17(3): 1-3.

[39] Brix G, Strieth S, Strelczyk D, et al. Static magnetic fields affect capillary flow of red blood cells in striated skin muscle[J]. Microcirculation, 2008, 15(1): 15-26.

[40] Yamamoto T, Nagayama Y, Tamura M. A blood- oxygenation-dependent increase in blood viscosity due to a static magnetic field[J]. Physics in Medicine and Biology, 2004, 49(14): 3267-3277.

[41] 李雷. 用光镊研究稳恒磁场对血红细胞的活性影响[J]. 激光技术, 2013, 37(6): 799-802.

Li Lei. Research of activity decay of red blood cells in static magnetic field with optical tweezers[J]. Laser Technology, 2013, 37(6): 799-802.

[42] 陈守强. 梯度磁场对实验性高黏血症的预防作用及其机理探讨[J]. 中国微循环, 2003, 7(2): 96-97.

Chen Shouqiang. Precaution against experimental hyperviscosaemia with gradient magnetic field and its mechanism[J]. Journal of Chinese Microcirculation, 2003, 7(2): 96-97.

[43] 李辉, 姚伟娟, 喀蔚波. 恒定磁场对家兔血液流变学性质的影响[J]. 中国医学物理学杂志, 2000, 17(4): 239-240.

Li Hui, Yao Weijuan, Ka Weibo. Influence of mag- netic field on hemorheologic properties in rabbits[J]. Chinese Journal of Medical Physics, 2000, 17(4): 239-240.

[44] 于玲娜, 田立健. 磁场对健康人血细胞的影响[J]. 中华理疗杂志, 1994, 17(1): 19-21.

Yu Lingna, Tian Lijian. Effects of magnetic fields on blood cells in healthy people[J]. Chinese Journal of Physical Therapy, 1994, 17(1): 19-21.

[45] 夏绪刚, 黄兆民. 近十五年国内磁医学研究进展[J]. 中华物理医学杂志, 1995, 17(2): 118-120.

Xia Xugang, Huang Zhaomin. Advances in magnetic medicine research in recent 15 years[J]. Chinese Journal of Physical Medicine and Rehabilitation, 1995, 17(2): 118-120.

[46] Okazaki M, Kon K, Maeda N, et al. Distribution of erythrocyte in a model vessel exposed to inhomo- geneous magnetic-fields[J]. Physiological Chemistry and Physics and Medical NMR, 1988, 20(1): 3-14.

[47] Muehsam D, Lalezari P, Lekhraj R, et al. Non- thermal radio frequency and static magnetic fields increase rate of hemoglobin deoxygenation in a cell- free preparation[J]. PLoS One, 2013, 8(4): e61752.

[48] Mesquita R C, Faseyitan O K, Turkeltaub P E, et al. Blood flow and oxygenation changes due to low- frequency repetitive transcranial magnetic stimulation of the cerebral cortex[J]. Journal of Biomedical Optics, 2013, 18(6): 067006.

[49] 李平, 麻明歌, 杨亚宁, 等. 磁场有氧治疗顽固性面瘫136例临床观察[J]. 生物磁学, 2003, 3(4): 28-29.

Li Ping, Ma Mingge, Yang Yaning, et al. Clinical observation of magnetic field cardio therapy on 136 patients with intractable facial paralysis[J]. Biomag- netism, 2003, 3(4): 28-29.

[50] 王柳青, 杨永辉, 武志耀, 等. 恒磁场对脑血管病患者离体血液流变学的影响[J]. 中华理疗杂志, 1994, 17(2): 82-83.

Wang Liuqing, Yang Yonghui, Wu Zhiyao, et al. Effect of static magnetic field on hemorheology in vitro in patients with cerebrovascular disease[J]. Chinese Journal of Physical Therapy, 1994, 17(2): 82-83.

[51] Ramlall V, Thangaraj P M, Meydan C, et al. Immune complement and coagulation dysfunction in adverse outcomes of SARS-CoV-2 infection[J]. Nature Medicine, 2020, 26(10): 1609-1615.

[52] 刘茜, 王荣帅, 屈国强, 等. 新型冠状病毒肺炎死亡尸体系统解剖大体观察报告[J]. 法医学杂志, 2020, 36(1): 21-23.

Liu Qian, Wang Rongshuai, Qu Guoqiang, et al. Gross anatomy report of COVID19 death corpse[J]. Journal of Forensic Medicine, 2020, 36(1): 21-23.

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

Yuan Xichen1,2,3,4 Zhang Bin1,3 Meng Zhiyue1,3 Wang Jianping1,3 Yin Dachuan1,3 Shang Peng1,2,3

(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)

Abstract 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 O2 in 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 O2 in 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 O2 metabolism 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 O2 utilization in this field, and also looks forward to its development prospects.

keywords:Magnetic field, oxygen, biomechanism, medical application

中图分类号:Q64; TM12; R35

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

国家自然科学基金项目(51777171)、国家重点研发计划项目(2018YFC0115303)和深圳市自然基金基础研究面上项目(JCYJ20190806145818081)资助。

收稿日期 2020-09-21

改稿日期 2020-10-09

作者简介

苑曦宸 男,1987年生,博士,研究方向为生物智能传感器以及微流控芯片制造-生物检测与调节等。E-mail: xichen.yuan@nwpu.edu.cn

商 澎 男,1964年生,教授,研究方向为不同物理条件下骨骼系统重建代谢平衡系统生物医学基础问题、磁场等物理因素在骨骼系统健康维护中的应用基础问题以及骨骼系统健康维护的生物医药学与医学工程转化问题。E-mail: shangpeng@nwpu.edu.cn(通信作者)

(编辑 崔文静)