近年来，稳态磁场对人体健康的影响引起了越来越多的关注。在**版中，我们通过7个章节来对本领域进行了介绍，包括磁场参数及其生物学效应的差异，稳态磁场对人体的作用，电磁场生物感应的分子机制，稳态磁场对细胞的影响，稳态磁场对微生物、植物和动物的影响，稳态磁场在癌症治疗中的潜在应用，以及稳态磁场用于磁疗的前景、困难和机遇。在过去几年中，磁生物学领域发展迅速，因此我们在第二版中增加了8个新的章节，包括稳态磁场方向引起的不同生物学效应，生物样品磁学特性，非均匀稳态磁场调控细胞膜电位，稳态磁场对糖尿病及其并发症、骨骼健康、免疫系统、神经系统的影响，以及稳态磁场长期暴露的生物学效应。

第1章磁场参数和生物样品差异导致不同生物学效应
　　不得不承认，电磁场生物学效应的文献中充斥着许多其他实验室无法重复的研究结果。除了可以通过金标准盲法分析来减少或避免由有意或潜意识导致的实验者偏差之外，文献中报道的大多数不一致的实验结果事实上是由混杂效应、不同磁场参数以及生物样本之间的差异所导致的。本章旨在总结导致稳态磁场生物学效应差异的因素，包括磁场暴露参数（如磁场类型、磁感应强度、均匀性、方向、分布和暴露时间），以及生物样本的差异（包括细胞类型、密度和状态等）。很显然，这些因素对于稳态磁场生物学效应至关重要，也是文献结果看起来不一致的主要原因。因此，我们鼓励科研人员在进行研究时不仅要进行双盲分析，还要在报道中清楚地描述其实验细节，包括各种磁场暴露参数、生物样本和实验过程等，从而才可以为科研人员后续进一步客观分析和深入研究机制提供重要依据。
1.1引言
　　概括来讲，磁生物学是研究磁场与生物系统之间相互作用的一门学科，包括但不限于磁场诱导的生物学效应和机制、生物对磁场的感知和利用，以及磁场相关技术等。它是一个涉及生物、物理和化学等多学科的跨学科领域（图1.1），在过去的几十年中取得了巨大进步。根据是否随时间变化，磁场可分为稳态磁场（SMF）或时变磁场/动态磁场。根据其频率和其他参数，又可进一步分为不同类别：例如，根据磁场强度的不同，可分为弱磁场、中等磁场、强（高）磁场和超强（超高）磁场；根据空间分布，可分为均匀或不均匀磁场。本书将介绍稳态磁场，即在一定时间内强度、方向和分布都不发生改变的磁场。我们在本章主要讨论磁场参数的变化及其对生物体的不同影响。
1.2影响生物学效应的磁场参数
1.2.1稳态磁场和时变磁场
　　多项证据表明，细胞和生物体对稳态磁场和时变磁场的反应非常不同，强度相同但类型不同的磁场对同一生物样本会产生完全不同的效应。例如，0.4mT、50Hz和2T、1.8GHz的脉冲磁场（PMF）都能增加表皮生长因子受体（EGFR）的磷酸化，但此效应却能被相同强度的非相干（“噪声”）磁场所逆转[1，2]。笔者课题组前期也报道了0Hz、50Hz和120Hz的6mT磁场对多种细胞系中三磷酸腺苷(ATP)水平的影响有所不同[3]。
　　本书只关注稳态磁场，其可变参数少且不会产生电流或热效应，因此在基础研究中与时变磁场相比具有更明显的优势。然而需要指出的是，人们在日常生活中更多的是暴露在时变磁场中，例如，来自电线的工频交流电产生的50Hz或60Hz磁场，以及来自手机的射频磁场等。并且美国食品药品监督管理局已批准一种基于时变磁场的医疗设备——经颅磁刺激设备，可用于治疗抑郁症和其他神经系统疾病。此外，低频旋转磁场也显示出了巨大的医学前景。
1.2.2　不同磁感应强度
　　根据磁感应强度的不同，磁场生物学效应研究中使用的稳态磁场大致可分为弱（<1mT）、中等（1mT～1T）、高/强（1～20T）和超高/强（20T以上）磁场。值得注意的是，磁场分类标准在不同领域以及不同时期会有所不同。例如，目前在磁共振成像（MRI）领域，人们经常把稳态磁场高于5T的称为超高场。
1T（特斯拉）=10000Gs（高斯），1Gs=100T
　　图1.2列举了一些不同来源的磁场所对应的磁感应强度。例如，流经大脑神经元的电流会产生微弱磁场，可以通过头部表面灵敏的磁探测器来记录；地球产生的磁场很弱，但无处不在，可以保护我们的地球免受太阳风暴的影响；永磁体产生的磁场通常为中等强度，在日常生活中被广泛使用；目前医院里的大多数MRI仪产生的磁场都在0.5～3T范围内，同时人们也针对特殊情况开发了
更高和更低强度的MRI；还有用于科学研究和制造领域的超高强度的超导、水冷和混合磁体。
　　1.地磁场
　　在过去几十年中，人们对于强度较弱的地磁场已有大量研究，尤其在磁感应领域。总体而言，人们对此还有诸多争议。目前主要有四种不同假说（图1.3），包括自由基对机制（图1.3（A））、磁铁矿（图1.3（B））、电磁感应（图1.3（C））以及潜在的磁受体假说（图1.3（D））。由于每种假说都有其局限性，因此还需要更多的研究来解开磁感应之谜。除了物理计算和生物观测间的矛盾之外，不同的生物可能会采用不同的方式来感知地磁场，并且在复杂的生物系统及其与地磁场的相互作用中，也可能存在着其他尚未被发现的机制。并且这些机制之间可能并不互斥[4]。关于磁感应方面的研究，文献中有很多相关综述可供参考，我们在本书第4章也将对此进行讨论。
　　2.中等和高强度稳态磁场（1mT～20T）
　　目前在各项研究和日常生活中*常见的稳态磁场是由永磁体所提供的，如冰箱贴、玩具和一些配件等。除非经过特殊设计，一般情况下永磁体产生的场强并不是很高（大多都在1T以下）。此外，目前大多数医院里的MRI核心部件也为稳态磁场，其场强通常在0.5～3T。随着大众对健康的重视，医院里以及临床研究中MRI仪所产生的0.5～9.4T稳态磁场对人类健康的可能影响也受到了极大关注（值得指出的是，MRI仪检查过程中用到了均匀稳态磁场、梯度磁场和脉冲射频磁场）。目前认为在规范操作下，医院里MRI仪产生的磁场对人体是安全的。并且研究表明，7T超高场MRI仪也可以被人体很好地耐受，并无过度不适[5-7]，也未造成DNA损伤[8]或细胞异常[9]。与此同时，由于强度更高的磁场可以提供更高分辨率，科研人员和工程师还在不断地研究具有更高稳态磁场强度的MRI仪。例如，21.1T的MRI仪已在啮齿动物的脑中得到了开发和初步应用。
　　3.超强稳态磁场（20T以上）
　　由于技术条件的限制，20T以上超强稳态磁场的生物学效应直到*近几年才得到系统研究。虽然目前超高场核磁共振（NMR）谱仪可以产生约20T的稳态磁场，但由于机器孔径非常狭窄，无法容纳细胞培养皿，并且动物和人类细胞需要在精确的温度、湿度和气体控制下才能正常生长，所以现有的NMR仪器并不适合进行多种生物学实验。而国际上能够产生20T以上超高稳态磁场的大口径稳态磁场设备数量有限，并且大多用于材料科学和物理学研究，因此科研人员需要构造专用的生物样品培养装置，才能使这些超高稳态磁场设备可以用来研究动物和人类细胞，以及其他各种小动物模型。
　　我们前期依托中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心的稳态磁场大科学装置，搭建了一系列适用于大口径超强磁体的生物实验装置系统，可以为细胞培养和小动物提供精确的温度和气体控制，从而可以进行一系列20T以上，甚至30T的细胞[19，20]和动物实验[21-25]。例如，我们研究了高达33T的稳态磁场暴露1h和高达23T的稳态磁场暴露2h对健康小鼠的影响（图1.4）。根据我们的初步研究结果来看，超强稳态磁场并不会对健康小鼠造成明显的不利影响。并且更有趣的是，短时间的稳态强磁场处理还显示出对小鼠具有抗抑郁和改善记忆的效果。
　　4.磁感应强度引起的差异
　　许多研究表明，磁感应强度是造成生物学效应差异的关键因素。但不同强度磁场对生物样品的影响需要具体实验具体分析。在许多情况下，高强度稳态磁场可以产生更明显的表型，或者产生低强度磁场不能诱导的新现象。例如，红细胞（RBC）可以通过稳态磁场来使其圆盘平面平行于磁场方向排列，并且排列的程度取决于磁场强度[26]。具体来说，红细胞在1T稳态磁场下只能检测到排列效应，而当场强达到4T时，几乎100%的红细胞都沿着磁场方向定向排列[26]。Prina-Mello等报道，暴露于2T和5T稳态磁场后，大鼠皮质神经细胞的p-JNK（磷酸化氨基末端蛋白激酶）水平增加，但在0.1～1T较弱的稳态磁场中并没有增加[27]。此外，我们课题组发现稳态磁场可以抑制人鼻咽癌CNE-2Z细胞和人结肠癌HCT-116细胞的增殖，并呈场强依赖性[28]。其中，1T稳态磁场作用3天，CNE-2Z和HCT-116细胞数减少约15%；而9T稳态磁场作用3天，CNE-2Z和HCT-116细胞数则减少30%以上。相比之下，0.05T稳态磁场对这两种细胞的数目并无显著影响[28]。Okano等发现，磁感应强度*高为0.7T的梯度稳态磁场可以显著降低青蛙神经C纤维的神经传导速度，而磁感应强度*高为0.21T的梯度稳态磁场则无此效果[29]。我们前期发现1～9T稳态磁场可以影响EGFR的取向，抑制其活性细胞和癌细胞生长，而较弱的稳态磁场则难以产生此效果[28]。此外，我们还发现27T超强稳态磁场可以直接影响有丝分裂细胞中纺锤体的取向，而中等强度的稳态磁场则无此效应[19]。

目录
前言
**版前言
第1章 磁场参数和生物样品差异导致不同生物学效应 1
1.1 引言 1
1.2 影响生物学效应的磁场参数 2
1.2.1 稳态磁场和时变磁场 2
1.2.2 不同磁感应强度 2
1.2.3 均匀磁场和非均匀磁场 7
1.2.4 暴露时间 10
1.2.5 磁极和磁场方向 11
1.3 生物样品的不同对磁场生物学效应的影响 11
1.3.1 稳态磁场对细胞类型的依赖效应 12
1.3.2 稳态磁场对细胞铺板密度的依赖效应 13
1.3.3 细胞状态对稳态磁场细胞效应的影响 15
1.4 造成磁场生物学效应研究缺乏一致性的其他因素 17
1.5 结论 20
参考文献 21
第2章 稳态磁场方向引起的不同生物学效应 27
2.1 引言 27
2.2 磁极与磁场方向 28
2.3 不同磁极或磁场方向诱导的生物学效应 30
2.3.1 不同方向稳态磁场在生物体中的生物学效应 30
2.3.2 不同方向稳态磁场在细胞水平的生物学效应 35
2.4 可能的机制 40
2.5 结论和展望 41
参考文献 42
第3章 生物样品磁学特性 45
3.1 引言 45
3.2 生物大分子的磁性 48
3.2.1 核酸 48
3.2.2 蛋白质 49
3.2.3 脂类 53
3.3 血液和相关化学成分 54
3.4 生物体、组织和细胞的磁特性 55
3.4.1 单细胞生物 55
3.4.2 组织 56
3.4.3 细胞 59
3.5 结论 61
参考文献 62
第4章 电磁场生物感应的分子机制 68
4.1 引言 68
4.2 磁性基本定义 69
4.2.1 铁磁性、顺磁性和抗磁性 69
4.2.2 磁场类型和强度 70
4.3 各种生物体的磁感应概述 71
4.3.1 细菌 72
4.3.2 植物 72
4.3.3 无脊椎动物 73
4.3.4 脊椎动物 75
4.4 生物磁感应器的类型 78
4.4.1 磁铁矿 78
4.4.2 化学传感 80
4.4.3 电磁感应 82
4.5 稳态磁场对人类生物学影响的机制 83
4.5.1 “已确立的”磁传感器 83
4.5.2 “其他”人体生物传感器 85
4.6 结论 90
参考文献 91
第5章 非均匀稳态磁场调控细胞膜电位 100
5.1 引言 100
5.2 磁力 101
5.3 梯度磁场中的静息细胞膜电位：广义能斯特方程 102
5.4 *小的磁体产生*高的梯度 105
5.4.1 磁性纳米颗粒 105
5.4.2 磁化板 106
5.4.3 带孔的轴向磁化圆柱体 106
5.5 磁性纳米颗粒与离子通道结合来调控细胞膜电位 107
5.6 结论 111
参考文献 112
第6章 稳态磁场对细胞的影响 115
6.1 引言 115
6.2 稳态磁场的细胞生物学效应 117
6.2.1 细胞取向 117
6.2.2 细胞增殖/生长 121
6.2.3 微管和细胞分裂 124
6.2.4 肌动蛋白 127
6.2.5 细胞活力 128
6.2.6 细胞附着/黏附 129
6.2.7 细胞形态 130
6.2.8 细胞迁移 131
6.2.9 干细胞分化 132
6.2.10 细胞膜 133
6.2.11 细胞周期 135
6.2.12 DNA 136
6.2.13 细胞内的活性氧 137
6.2.14 三磷酸腺苷 138
6.2.15 钙 144
6.3 结论 148
参考文献 148
第7章 稳态磁场对微生物、植物和动物的影响 163
7.1 引言 163
7.2 稳态磁场对微生物的影响 164
7.2.1 稳态磁场对细胞生长和活力的影响 164
7.2.2 稳态磁场引起的形态和生化修饰 165
7.2.3 稳态磁场的遗传毒性 166
7.2.4 稳态磁场对基因和蛋白质表达的影响 167
7.2.5 感应磁场的磁小体形成 167
7.2.6 磁场在抗生素耐药性、发酵和废水处理中的应用 169
7.3 稳态磁场对植物的影响 170
7.3.1 稳态磁场对植物种子发芽的影响 170
7.3.2 稳态磁场对植物生长的影响 172
7.3.3 稳态磁场对植物向重性的影响 173
7.3.4 稳态磁场对植物光合作用的影响 173
7.3.5 稳态磁场对植物氧化还原状态的影响 174
7.3.6 隐花色素感应磁场 175
7.4 稳态磁场对动物的影响 176
7.4.1 稳态磁场对秀丽隐杆线虫的影响 176
7.4.2 稳态磁场对昆虫的影响 179
7.4.3 稳态磁场对罗马蜗牛的影响 180
7.4.4 稳态磁场对水生动物的影响 181
7.4.5 稳态磁场对非洲爪蟾的影响 182
7.4.6 稳态磁场对小鼠和大鼠的影响 183
7.4.7 动物中的磁感应蛋白 189
7.5 结论和展望 190
参考文献 191
第8章 稳态磁场对人体的影响 209
8.1 引言 209
8.2 地球磁场/地磁场 212
8.3 时变磁场及其临床应用 214
8.3.1 脑磁图和心磁图 214
8.3.2 经颅磁刺激 215
8.4 稳态磁场及其临床应用 215
8.4.1 磁共振成像 215
8.4.2 磁外科 218
8.4.3 使用稳态磁场的磁场疗法 219
8.5 讨论 222
8.6 结论 223
参考文献 224
第9章 稳态磁场在癌症治疗中的潜在应用 230
9.1 引言 230
9.2 稳态磁场对体外和体内癌细胞的直接影响 232
9.2.1 稳态磁场可抑制某些癌细胞的增殖 232
9.2.2 稳态磁场与癌细胞分裂 239
9.2.3 稳态磁场与癌症转移 239
9.2.4 稳态磁场与癌细胞干性 242
9.3 稳态磁场与肿瘤微循环和血管生成 244
9.4 稳态磁场通过免疫调节抑制癌症 246
9.5 稳态磁场与其他治疗方法的结合 248
9.5.1 稳态磁场与化学药物的结合 248
9.5.2 稳态磁场与时变磁场的结合 252
9.5.3 稳态磁场与放疗的结合 253
9.6 患者研究 255
9.7 讨论 257
9.8 结论 257
参考文献 258
第10章 稳态磁场对糖尿病及其并发症的影响 263
10.1 引言 263
10.2 稳态磁场对糖尿病动物血糖水平的影响 265
10.3 稳态磁场对糖尿病动物模型胰岛素水平的影响 266
10.4 稳态磁场对糖尿病并发症的影响 267
10.5 稳态磁场对细胞及非糖尿病动物的血糖和胰岛素水平的影响 269
10.6 稳态磁场对血糖和胰岛素影响效果不统一的原因分析 271
10.7 稳态磁场对血糖或胰岛素影响的潜在机制 273
10.8 结论 275
参考文献 275
第11章 稳态磁场对骨骼健康的影响 279
11.1 引言 279
11.2 稳态磁场对骨质疏松的影响 279
11.2.1 稳态磁场对骨髓间充质干细胞和成骨细胞等的影响 280
??11.2.2 稳态磁场结合磁性纳米材料对骨髓间充质干细胞和成骨细胞
???的影响 281
11.2.3 稳态磁场对破骨细胞的影响 283
11.2.4 稳态磁场对绝经后骨质疏松症的影响 283
11.2.5 稳态磁场对糖尿病骨质疏松症的影响 284
11.3 亚磁场对骨质代谢的影响 284
11.4 稳态磁场对骨肉瘤的影响 285
11.5 结论 287
参考文献 287
第12章 稳态磁场对免疫系统的影响 292
12.1 引言 292
12.2 稳态磁场对免疫器官的影响 293
12.3 稳态磁场对免疫细胞的影响 295
12.3.1 稳态磁场对巨噬细胞的影响 297
12.3.2 稳态磁场对中性粒细胞的影响 297
12.3.3 稳态磁场对淋巴细胞的影响 298
12.4 稳态磁场对细胞因子的影响 300
12.5 稳态磁场可能通过中枢神经系统调节免疫功能 302
12.6 结论 303
参考文献 304
第13章 稳态磁场对神经系统的生物学效应 307
13.1 引言 307
13.2 稳态磁场对神经细胞的影响 308
13.2.1 一些稳态磁场可以促进神经细胞功能 310
13.2.2 一些稳态磁场对神经细胞无明显影响 311
13.2.3 一些稳态磁场抑制了神经细胞的功能 311
13.3 稳态磁场对动物行为的影响 311
13.3.1 稳态磁场对啮齿动物行为的影响 312
13.3.2 稳态磁场对斑马鱼行为的影响 315
13.3.3 稳态磁场暴露对其他动物行为的影响 315
13.4 稳态磁场对人类神经系统的影响 317
13.4.1 与MRI有关的研究 317
13.4.2 稳态磁场对人类神经系统影响的其他研究 319
13.5 讨论 319
13.6 结论 321
参考文献 322
第14章 稳态磁场长期暴露的生物学效应 327
14.1 引言 327
14.2 动物实验 328
14.2.1 连续暴露 329
14.2.2 间歇暴露 334
14.3 人体实验 336
14.4 流行病学研究 337
14.5 讨论 338
14.6 结论 339
参考文献 340
第15章 稳态磁场用于磁疗的前景、困难和机遇 345
15.1 引言 345
15.2 电磁场治疗方式概述 346
15.2.1 低频正弦波 346
15.2.2 脉冲电磁场 346
15.2.3 脉冲射频场 347
15.2.4 经颅磁/电刺激 347
15.2.5 稳态磁场 348
15.2.6 “非治疗用途”电磁场暴露减轻安全性担忧 348
15.3 不同磁感应强度的稳态磁场疗法的生物医学效应 349
15.3.1 未经许可但广泛使用的中低稳态磁场“DIY”自制疗法 349
15.3.2 亚磁场——默认磁疗的依据？ 350
15.3.3 更高场强的磁场对人类健康的影响 351
15.4 治疗领域的前景 352
15.4.1 疼痛感知 353
15.4.2 血液流动/血管形成 353
15.4.3 用于治疗神经系统疾病和神经再生的体外证据 355
15.4.4 干细胞 356
15.4.5 稳态磁场的其他治疗领域 357
15.5 稳态磁场的临床研究面临的困难和磁疗的接纳 357
15.5.1 夸大和模棱两可的言论和完全反对磁疗 357
15.5.2 磁疗中需要控制的参数 358
15.5.3 安慰剂效应 358
15.6 结论 359