国家重点基础研究发展计划（973计划）项目申报书-电磁辐射危害健康的机理及医学防护的基础研究.doc

1、项目名称： 电磁辐射危害健康的机理及医学防护的基础研究首席科学家： 余争平 中国人民解放军第三军医大学起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 总后勤部卫生部 重庆市科委二、预期目标（一）本项目的总体目标：1. 坚持多学科交叉渗透的研究模式，围绕阐明电磁辐射健康危害机理这个基本点，以提出有针对性的医学防护措施为最终目标，从细胞、 组织器官、人群三个不同层次，以生物组织感受并对电磁辐射产生响应的作用机制为突破口，研究阐明细胞与生物组织感受、吸收、转化、传递电磁 辐射能量的规律，揭示神经系统、生殖系统对电磁辐射损伤敏感的生物学基础和分子机制，明确长期低剂量电磁辐射的遗传损伤效应，提出人

2、群水平损伤效应的生物标志物与危害监测评估的指标，力争使我国电磁辐射生物效应研究与危害防治水平取得新的突破。2. 推动我国电磁辐射生物学和相关学科的发展，培养一批高水平的中青年科学家，造就一支多学科交叉、具有国际竞争实力的研究队伍，保持我国在此 领域已有的特色与领先优势。（二）五年预期目标:1. 建立定量检测生物组织电磁吸收剂量的方法与技术平台。建立生物组织电磁能量吸收的生物剂量表征，建立生物组织电磁辐射能量分布计算方法，建立高精度人体电磁仿真模型。这些模型和方法的建立将为电磁辐射生物效应研究实现统一的研究方法和手段奠定基础。2. 阐明电磁辐射神经、生殖、遗传损伤机制。揭示敏感组织器官损伤过程中

3、细胞信号传导系统的变化、重要功能基因与蛋白质谱表达变化的关键分子事件，明确电磁辐射的遗传损伤位点和效应机制， 为电磁辐射危害的医学防治提供靶点。3. 提出电磁辐射人群健康危害监测与评估体系的科学依据。明确我国电磁辐射健康危险度，发现电磁辐射危害监测的敏感生物标志物，建立通过人群验证的以损伤标志物为核心内容的评估指标体系。4. 形成一批创新性研究成果。通过本项目研究在国际上本专业领域有影响的SCI 收录杂 志上发表论 文100-120 篇， 获得8-10 项发明专利授权。5. 促进研究基地建设和人才培养。通过本项目研究建设我国电磁生物学研究中心3-5 个，预期培养教育部“长江学者奖励计划 ”特聘

4、教授1-2名，国家杰出青年科学基金获得者1-2名。培养博士后10-20名，博士生60-80名，硕士生100-120名。三、研究方案（一）总体思路：1. 学术思路本项目研究在总体设计上针对电磁辐射的损伤效应与危害防治需要解决的重大科学问题，综合应用多学科交叉的技术手段， 围绕揭示生物组织与细胞感受电磁辐射物理信号电磁辐射能量在生物组织转化、传递及剂量测量引起敏感组织与细胞的损伤人群健康危害特点与危险度危害生物标志物与监测评估这一核心主线，将物理学、生物学、医学不同学科领域的共同关注的科学问题综合考虑、交叉融合，布置研究内容和设置研究课题，注重效应的观察与机理的探讨相结合，宏观层面整体效应与微观层

5、面分子、 细胞效应的观察相互印证，揭示电磁辐射对健康危害效应的规律和特点，为我国电磁辐射健康危害的综合防治奠定科学基础。基于上述指导思想，本 项目总体设计的研究思路如图1 所示。2. 技术途径： 严格设计与控制暴露参数与暴露条件。在本项目参与单位的不同实验室（中心），选择同样的生物学研究对象（包括动物和细胞），应用相同的电磁辐射暴露物理参数，复制环境与职业暴露模型，通 过物理指标与生物指标相结合、理论计算与实测验证相结合的方式，实现本项目研究中多实验室（中心）电磁辐射暴露物理剂量、生物吸收剂量、 观察效应指标的定量化、规范化和统一性，以确保不同实验室（中心）研究结果的科学性、可靠性和可重复性。

6、 应用不同频段的电磁辐射源，采用辐照法复制不同种属实验动物和体外培养细胞的实验模型，根据实验设计的要求分别模拟环境与职业暴露条件，在辐照暴露后的不同时相点取整体动物、生物组织与器官、细胞等生物样本， 测试分析各种效应指标，比较不同频段电磁辐射效应的特点。 综合应用蛋白质组、基因操纵和生物信息学等技术手段，大规模、高通量地在整体、细胞与分子层次解析电磁辐射暴露引起的重要分子事件，在不同层次寻找电磁辐射损伤敏感分子标志物，通过调控基因与蛋白的表达，探讨重要功能基因与蛋白的变化与生物学效应的关系，明确危害医学防治的靶点。3. 可行性分析： 具备完成本项目研究的良好基础。 在电磁辐射生物学效应和发生机

7、理与危害防治研究领域，近二十年来我国已逐步形成了自己的优势和特色，某些研究方向的水平与贡献已在国际前沿占有一席之地，为进一步开展本项目的研究奠定了良好的工作基础；本项目的主要研究内容的选择充分考虑了我国的特色与优势。本项目各课题的负责人各自依托的实验室已有相当的规模并取得了很好的科研成果，具备高质量完成本项目研究的科研条件。 业已形成物理学、生命科学领域多学科交叉的科技攻关队伍。特别需要强调的是，本项目集中了我国从事电磁辐射生物效应与危害防治研究领域的骨干优势单位，承担单位与主要学术骨干之间在此领域已形成良好的协作关系，近二十年来，在联合申请各类科研课题、共同主 办国际学术会议、互相利用 实验

8、室工作条件、交流骨干科研人员等方面协作十分活跃；本项目的研究队伍是一个以优秀中青年科技骨干为主、站立于国际学科前沿、学 风严谨求实的多学科协作攻关团队，多数是从海外留学归来的、并在本 领域中取得了良好的研究业绩的中青年科学家。 具备完成本项目研究的良好支撑条件。从事电磁辐射生物学研究与一般的生物医学研究不同，除应具备生物医学研究的支撑条件外，还需要具备不同物理参数的电磁辐射源及其相应的物理参数检测、屏蔽辐照条件，本项目研究将有四个国家重点实验室、十个省部级（军队）重点实验室共同参与，集中了国内本领域的骨干优势单位，具备完成本项目研究的支撑条件和技术平台，因此，完成本项目研究不需另行购置重大仪器

9、设备。 建立了通畅的国际合作与交流的渠道。本项目各课题的承担单位在不同的学科领域已经与美、日、欧洲发达国家的多个实验室建立了实质性长期合作关系，将确保本项目的研究工作与国际发展的前沿同步。（二）创新点与特色： 学科交叉融合共同解决电磁辐射效应研究领域的重大科学问题。近十年来，生命科学的迅猛发展吸引了众多的物理学家进入生命科学的研究领域，在电磁辐射生物学方面物理学领域的研究工作较多地集中在微观层次观察电磁辐射对电子、带电离子、原子、分子的状 态和运动的影响以及 这些影响引起的生物大分子的结构、构象、构型的变化，并对这一物理 过程进行数学建模，将研究无机物质的手段和方法简单引用到复杂的生命系统的研

10、究中，所获得的结果往往缺乏机理和效应之间的有机联系，与生命科学融合不够；另一方面，生命科学领域尽管在生物体各个层次上对电磁辐射生物效应做了许多研究与观察，但是对这些生物效应的原初物理过程和规律缺乏深入检讨，例如对细胞感受电磁能量的生物物理学过程缺乏深入认识，生物学效应研究所获得的结果难以在统一的生物剂量量纲下对比分析。克服这些电磁辐射生物学研究领域的不足和技术难点，迫切需要物理学和生命科学在更深层次和更大范围的交叉融合。本项目针对研究对象的复杂性和研究技术条件的特殊性，综合应用物理学、生物学和医学的技术策略，深入研究电磁辐射危害健康的效应，从研究思路、研究手段、研究内容都具有很强的创新性。 紧

11、紧围绕生物损伤效应的量效关系，定量研究电磁辐射生物损伤效应。首先，用统一的物理量纲衡量暴露条件，将复杂的频段效应关系规律化而后简明化，使生物效应的数据可以相互比较，找到生物 损伤效应的频段特征和与电磁辐射物理参数的关系；其次，生物效应研究设计中如能用统一的生物剂量单位来表征暴露强弱程度，将可能在细胞、器官与整体不同层次明确电磁辐射损伤效应的阈值，确定电磁辐射暴露的安全剂量范围，为进一步制订人员安全暴露标准奠定科学基础。 结合我国已有的特色与优势，选择新的突破口。本项目拟解决的关键科学问题和研究内容都是电磁辐射生物效应与危害防治领域的国际前沿。更重要的是，我们立足于我国在此领域已有的工作基础，拟

12、进一步开展的工作将可能形成新的突破。例如，深化我国在测量生物电磁特性变化与生物组织电磁能量转换过程方面的研究，将原初物理过程与生物效应研究相结合，以活体生物组织电磁特性变化作为机体电磁能量转换与分布指征，揭示健康危害效应的生物物理机制，将可能在解决生物组织吸收剂量方面取得突破；从细胞电磁感受位点与敏感性差异入手，在重要功能基因与蛋白（膜受体、离子通道）等不同层次研究揭示电磁生物效应机制的关键分子事件，将可能阐明细胞电磁辐射感受与敏感性差异的机制；针对敏感器官损伤特点的深入研究，将可能在电磁辐射与多种疾病发生的关联上提出新理论、新观点。因此，通 过本项目的研究，将进一步保持我国领先的特色与优势方

13、向，并可能形成新的突破。 微观与宏 观结合，提出防治电磁辐射危害的创新策略。由于电磁辐射生物学损伤效应特点和机理尚未阐明，对其危害防治的医学靶点不清，更缺乏危害监测与评估的生物标志物，因此，不可能提出电磁辐射危害的防治的针对性措施与策略。目前国际上对电磁辐射危害防治的主要工作集中在研究物理防护措施，用不同的材料屏蔽或吸收电磁辐射的能量，但在人群水平如何监测与防治电磁辐射的危害仍缺乏研究。本项目研究在开展人群流行病学研究的基础上，获得我国环境与职业电磁辐射健康危害的核心数据，明确电磁辐射健康危害特征与程度，发现电磁健康危害生物标志物，为进一步结合我国对疾病防控的三级预防体制，在宏观上提出针对电磁

14、辐射危害的限制暴露与危害监测的具体措施奠定基础，为国家开展电磁辐射危害防治提供科学依据。（三）课题设置课题1、生物组织电磁能量转换与生物剂量测量研究预期目标： 明确电磁暴露 对活体生物 组织与细胞电磁特性的影响特点； 揭示电磁 辐射能量在生物 组织的吸收、分布 规律，并实现高精度的计算、建模与仿真模拟； 建立生物 组织电磁吸收 剂量的测量方法。研究内容：1. 活体组织与细胞的生物介电特性研究采用介电电泳及介电谱测量表征方法，研究活体组织与细胞在电磁辐射环境下的介质极化、电导、损耗效应，以及介 电频谱特征。从电介质物理的角度，建立电磁辐射与活体组织、细胞相互作用物理模型，建立多频段的不同组织介电

15、特性数据库，提出加速辐照作用下细胞、 组织生物效应的介电表征评价方法。2. 生物组织电磁能量吸收与分布研究利用与人体电磁参数一致的等效介质和仿真模型，构建高精度电磁谐振腔测试系统，加载不同频率、强度等物理参数的电磁辐射，精确的测量出人体等效部位电磁能量的吸收、耗散及分布值，并 实现生物组织电磁能量吸收与分布的仿真模拟。在实验研究基础上，通过理论分析，构建 电磁 辐射对人体组织作用的生物物理模型，揭示机体电磁辐射能量吸收分布与生物效应的关系。3生物组织电磁吸收剂量测量方法研究用改进的FDTD 和FEM 等计算方法, 在计算生物组织对电磁辐射能量的吸收和耗散规律以及相应的剂量分布的基础上，采用高精

16、度电场、磁场探针、光 纤传感器对仿真模型内部剂量分布进行精确的测量。揭示环境电磁辐射参量、生物组织电磁特性与生物体内电磁辐射剂量分布规律的关系，提出电磁辐射生物吸收剂量指标，建立测量方法。经费比例：14.5%承担单位：华东师范大学、西安交通大学、电子科技大学课题负责人：陈树德学术骨干：乔登江、邱爱慈、庞小峰、钟力生课题2、细胞电磁感受机制与差异性研究预期目标： 明确几类 重要功能细 胞的电磁辐射敏感性，确定细胞损伤的量效关系，提出损伤阈值； 从细胞信号 转导途径和重要功能蛋白等方面，研究 阐明电磁辐射致细胞损伤的分子机制。研究内容：1. 细胞电磁感受位点与机制研究利用Raman 光 谱、红外光

17、谱等光谱探测技术，研究细胞水平电磁辐射能量感受与传递相关的重要细胞微观结构和生物大分子如细胞缝隙连接、表皮生长因子受体、细胞膜脂质双分子层等在外源性电磁暴露后的变化；利用高灵敏的超导量子干涉仪（SQUID）和磁共振成像技术研究电磁辐射对脑中内源磁性颗粒（Fe3O4）形成及其分布的影响。利用超弱光子检测技术、电子顺磁共振技术（ESR）以及纳 米探针技术等研究电磁辐射对一些特殊酶（如Na+-K +-ATPase、F0F1-ATPase）的活性、细胞膜结构（如脂筏等）的影响，明确细胞感受电磁辐射的位点与机制。2. 不同类型细胞对电磁辐射敏感性研究选择对电磁辐射敏感的神经系统、生殖系统、免疫系统和视觉

18、系统的代表性细胞，如神经系统的神经元和胶质细胞、生殖系 统的滋养层细胞和精子、免疫系统的树突状细胞和T 细胞、眼睛的晶状体上皮 细胞为研究对象，以指示DNA 双链断裂的早期指标-H2AX 焦点形成、 细胞增殖与凋亡、 细胞周期变化为指标，评价不同种类重要功能细胞对电磁辐射敏感的量效关系，提出不同种类细胞损伤阈值。3. 细胞电磁辐射敏感性差异的机制研究从细胞重要功能蛋白表达与抗氧化损伤两个方面，重点探讨细胞电磁辐射敏感性差异的机制。利用蛋白质双向电泳（2-D）技术结 合质谱分析不同敏感性细胞的蛋白质表达谱变化，寻找该图谱上蛋白质表达的差异，根据蛋白质表达差异数量与丰度确定细胞对电磁辐射敏感性差异

19、的物质基础。应用电子自旋捕获法（ESR）、电化学法（ ECD）、DCFH-DA 探针等技术，检测细胞内氧自由基、羟自由基的生成和抗氧化系统的酶活性变化，比较不同电磁辐射敏感性的细胞内抗氧化系统及其调控的变化。经费比例：17.5%承担单位：浙江大学、中国科学院电工研究所、北京工业大学课题负责人：许正平学术骨干：宋涛、曾群力、吴水才、戴道锌课题3、电磁辐射对中枢神经系统的损伤效应及其机理研究预期目标： 确定电磁 辐射对认知功能、神经系统发育不可逆性损害的各参数阈值； 揭示电磁 辐射致大脑认 知功能障碍的神经回路和突触 损害基础； 揭示电磁 辐射致神经 系统发育障碍的细胞和分子基 础。研究内容：1.

20、 电磁辐射对认知功能与神经系统发育不可逆性损害的阈值研究分别采用神经行为学、神经形态学、神 经电生理学、脑功能成像和生物化学等技术，观察不同频率、剂量、时间和空间距离等不同参数的 电磁辐射后，大脑认知功能相关主要脑区（新皮层、内嗅皮层和海马等）中主要细胞、核团等各层次功能变化过程，分析与认知功能行为异常的相关性，以此确定电磁辐射对大脑认知功能不可逆性损伤的各参数阈值。观察不同发育时间段（E12.5 到P30 ），实验动物新皮层、海马、小脑皮层、大脑皮层下白质结 构形态和功能的发育变化，检测个体成熟后（P60 ）相关 脑区功能受损的程度，确定电磁辐射对神经系统发育不可逆性损伤的各参数阈值。2.

21、电磁辐射致认知功能损伤的神经回路和突触机制研究采用多通道电活动记录技术，膜片钳记录技术、双光子成像技术和脑功能成像技术等手段，观察电磁辐射后新皮层、内嗅皮 层和海马等认知功能相关脑区主要神经回路变化，包括神经回路中各脑区主要神经元信息传送特性、信息整合特性改变、对神经回路电活动振荡的作用及干预能力改变等，分析电磁辐射对神经回路的损害机制；观察电磁辐射损害敏感的认知功能神经回路突触结构和功能的变化，观察突触末梢分叉、突触囊泡循 环、树突分枝、数突棘数目和复杂度、关键性功能性受体通道（如电压门控钾、钙通道等）数量和状态、膜被动和主动特性、树突信息整合能力、以及与突触可塑性 发生能力密切相关大的关键

22、分子（如synapsin I, 突触相关蛋白25 和突触后密度蛋白95 等）表达与功能的变化，以分析电磁辐射对突触及突触传递损害基础。应用特异的激动剂或抑制剂（包括si-RNA干扰），观察电磁辐射引起的认知功能损伤通过生物体内的自身反应分子获得逆转的可能途径。3. 电磁辐射致神经系统发育障碍的机理研究采用神经形态学、生化分子生物学和全胚胎培养等技术，观察不同发育时间段（E12.5 到P30）电磁辐射后，新皮 层、海马、小脑皮层、皮层下白质等脑区神经发育中的关键细胞事件，包括神经元轴突导向、树突成熟、 细胞极性、神经元迁移、突触形成与成熟、脑内神经干细胞增殖和定向分化变化，并分析上述神经系统发育

23、中细胞事件异常改变与相关脑区的发育性组织结构和行为功能障碍的关系。在此基础上，选择典型细胞事件发生中的相关关键分子（如netrin, Wnt,sonic hedgehog, NATRE, 细胞骨架蛋白等）， 观察电 磁辐射对其表达和功能的影响，并与相关脑区的发育性组织结构和行为功能障碍发生进行相关性分析。经费比例：15.5%承担单位：复旦大学、中国人民解放军第三军医大学、华东师范大学课题负责人：梅岩艾学术骨干：夏若虹、赵冰樵、胡志安、胡 长龙课题4、电磁辐射的生殖危害效应与机理研究预期目标： 明确电磁 辐射和生殖 损伤效应之间的频率效应 关系、 剂量效应关系； 明确电磁 辐射对性激素代 谢、精

24、子发育、受精 过程的危害效应与机理。研究内容：1. 电磁辐射对性激素代谢的影响与机制研究应用不同频率电磁辐射暴露的整体动物模型，以观察剂量反应关系为出发点，以下丘脑垂体性腺轴为主线，研究 电磁辐射对下丘脑-垂体激素（性腺激素释放激素、卵泡刺激激素、黄体生成素等）、性激素及衍生物（睾酮、脱氢表雄酮、雌二醇、雌酮等）、性激素代 谢调控蛋白与关 键酶（性激素结合球蛋白、17-羟化酶、类固醇脱氢酶等）的影响及机制。2. 电磁辐射对精子发育与调控的影响及机制研究从雄性性腺轴、睾酮等性激素分泌及调控、巨噬 细胞旁分泌及调控等环节的改变研究电磁辐射如何影响精子的发生发育；建立体外生精细胞原代培养体系，观察电

25、磁辐射对生精细胞发育各期功能状态的影响；从与生殖细胞发育相关调控通路的多基因关联入手，选择与精子发生相关调控基因、环境应答基因、核受体基因、氧化应激相关基因和激素受体受体为候选基因，进行大样本、大 规模SNPs位点分析。研究电磁辐射对调控生殖细胞发育的重要信号转导途径（G 蛋白/ 酪氨酸蛋白激酶信号转导系统、Wnt/PI3K/GSK3 、JAK/STATs 信号转导系统）的影响，在细胞膜受体、胞浆受体、胞 浆信号转导蛋白、核受体与蛋白的激活、转位、失活等不同环节，揭示电磁辐射生殖损伤效应的分子机理与信号转导机制。3电磁辐射对受精过程与受精卵发育的影响及机制研究着重研究以精卵质膜融合为关键步骤的

26、受精过程，围绕精卵识别、精卵结合和精卵质膜融合的三个关键受精环节，研究电磁辐射对精子去整合素金属蛋白酶( ADAM )家族成员、 lzumo 蛋白、DE/CRISP1 蛋白和Equatorin、FAP - 1、MA - 24、MH61、FLB1 等精子膜蛋白的表达和精卵质膜融合的影响，观察电磁辐射对顶体反应相关的蛋白及信号传导途径（如G 蛋白耦 联的信号传导、受体酪氨酸激酶（RTK）途径）的影响；研究电磁辐射对精子细胞、卵细胞膜表面Ca2+离子通道与胞浆内Ca2+浓度的影响、细胞骨架的重组与分布，以及DNA 甲基化和组蛋白修饰等表观遗传学变化，揭示电磁辐射对受精过程、卵细胞激活的影响及分子机制。经费比例：17.5%承担单位：中国人民解放军第四军医大学、中国人民解放军第三军医大学、苏州大学课题负责人：郭国祯学术骨干：童建、杨桦、曾丽华、李静课题5、电磁辐射的遗传效应及机理研究预期目标： 在整体实验动 物、重要功能细胞与生物大分子三个层面上，揭示电磁辐射遗传效应特点； 从染色体、基因与基因组、DNA 不同水平，明确电磁辐射的遗传损伤位点和表观遗传学机制； 明确电磁 辐射是否具有促 细胞恶性转化的致癌效 应。研究内容：1. 电磁辐射遗传物质损伤效应与位点研究