X射线照射对大鼠肺组织介电特性的影响

¼¼þ埃及基础与应用科学杂志5（2018）298完整文章X射线照射后大鼠肺组织介电特性的变化阿卜杜勒拉扎克湾Abdelrazzaka，2011，1，Ahmad M.Labeebb，1，Gamal S.巴伊河a埃及开罗12622国家研究中心物理研究部光谱学系b埃及开罗12622国家研究中心物理研究部微波物理和介电系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年6月14日收到收到修订版，2018年8月15日接受，2018年在线发售2018年8月29日保留字：电离辐射介电弛豫电模量FTIR光谱肺组织A B S T R A C T本文用介电谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究了低剂量（10cGy）和高剂量（2Gy）X射线对全身照射大鼠肺的影响。介电常数e0、介电损耗e00、电模量M0和电模量虚部M00测量显示了10 cGy后细胞膜分子动力学的变化，2Gy-照射，反映照射后细胞膜流动性的变化，其中在2Gy-照射后记录的变化最显著。FTIR数据进一步说明了在10 cGy和2 Gy照射后，细胞膜的流动性增加，标记的移动和加宽的CH2不对称伸缩振动带。然而，我们的研究结果表明，2 Gy辐照对细胞膜的影响远高于10 cGy，但它们也突出了低至10 cGy的辐射剂量的相当大的影响及其相关风险。©2018 曼 苏 拉 大 学 。 由 爱 思 唯 尔 公 司 制 作 和 主 持 这 是 一 篇 基 于 CC BY-NC-ND 许 可 证 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍暴露于电离辐射已被证明会引起各种细胞效应[1]。电离辐射对细胞最有害的影响细胞膜双层的流动性对其功能起着重要作用因此，细胞膜的损伤会影响其功能和整个细胞的完整性[2]。细胞膜损伤的研究是研究电离辐射细胞效应的关键辐射损伤的可检测性主要取决于损伤的程度和检测技术的灵敏度。各种物理技术已被证明是强大的，敏感的，和非破坏性的技术来研究辐射引起的细胞和分子水平的损伤。在本研究中使用了其中两种技术，介电光谱和FTIR光谱。介电谱已广泛用于研究生物组织中的分子变化[3生物组织的介电分子动力学在不同的应用射频RF可以跟踪和很好地确定使用介电特性*通讯作者。电子邮件地址：ab. nrc.sci.eg（A.B. Abdelrazzak）。1作者对本书的贡献是平等的。[7由于与生物组织的相互作用，约1 MHz的RF的应用可追溯到20世纪50年代[11，12]。介电复介电常数eω及其倒数作为复电模量Mω1=eω是生物学研究中的有用工具，用于基础科学和应用科学的组织[10，13]。作为介电常数e0和损耗e00的复介电常数eω/e0-e00参数总是通过平行板测量，样品作为电容器，频率高达100 MHz。 另一方面复电模量MωM0i M00是一种用于消除界面电极极化的微积分方法，其可能涵盖以下任何一项：主要弛豫过程介电损耗情节通过测量介电常数参数，研究不同剂量辐射对受照大鼠肺组织的影响。本文用射频（100 Hz-10 MHz）研究了已知100 Hz-10 MHz范围b色散位点由称为麦克斯韦-瓦格纳效应的偏振机制引起在该区域中，界面代表离子电荷流动的屏障，因此导致极化和随后的弛豫。b在组织中的分散常发生在细胞膜上。因此，细胞膜结构的任何改变都会显著影响该区域[14]。此外，还利用FTIR光谱进一步研究了磷脂膜双分子层的辐射损伤FTIR是一种https://doi.org/10.1016/j.ejbas.2018.08.0012314- 808 X/©2018曼苏拉大学。由爱思唯尔公司制作和主持这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表埃及基础与应用科学杂志杂志主页：www.elsevier.com/locate/ejbasA.B. Abdelrazzak等人/埃及基础与应用科学杂志5（2018）298299×0¼¼-非破坏性技术，通过提供细胞中所有分子的指纹[18]，提供关于细胞膜中分子变化的深入信息[15-2. 材料和方法2.1. 实验动物实验动物，20只雄性Sprague-Dawley大鼠，约4月龄，重160 ± 20g，在22-24 ℃和12小时光照/黑暗循环的标准条件下饲养，自由进食和饮水。实验过程由作者所在研究所的动物护理和伦理委员会批准（批准号：17-018）。将动物分为3组，每组5只大鼠;一是区域的电极，和 eo是真空的介电常数（8.8543 10- 12F/m）。 在以下情况下的介电常数计算通过将具有介电材料C的单元的电容除以空单元Co，其中空气的介电常数值e1，电容相等Co¼eoA=de0¼C=Co利用复电模量使弛豫峰的频率上移，抑制电极极化效应。复介电常数的倒数作为介电常数E0和介电损耗E00确定实数和电模量的虚部[19]照射组（0 Gy），不照射对照组（0 Gy）。Mω10 00e0e00控制 2Gy照射组：动物为2Gy全身照射¼eω¼MþiM© 2018 - 2019 www.cnz.com版权所有并保留所有权利辐照（剂量率4 Gy/min）。10 cGy照射组; Ani-10 cGy全身照射（剂量率4Gy/min）。2.2. 照射在Mansoura University hospital，Mansoura，Egypt的肿瘤学和核医学中心，使用6 MV直线加速器（Precise Linear Accelerator;Elekta，Stockholm，Sweden）用X射线照射大鼠。照射前，通过腹膜内注射氯胺酮和甲苯噻嗪混合物（分别为75mg/kg和5 mg/Kg）麻醉动物。平均而言，动物处于麻醉状态60分钟，在此期间将动物保持在室温（20-25 °C）下。在辐照期间，将动物限制在辐照台上的胸骨卧位，并将动物置于辐射野中心。2.3. 样本采集在实验期结束时，用氟烷麻醉所有动物并处死，收集肺切片。然后将所有样品冷冻干燥并储存直至使用。2.4. 介电测量肺组织的介电常数参数通过Ando AG-4311 LCR计（美国）在100Hz至100 KHz的低频下测量。直接测量电容C和然后，通过Hioki LCR3535-Hi Tester仪表（Hioki Co.，日本）。原LCR hi测试仪由制造商升级实验使用9699 SMD测试夹具进行，该夹具具有两个电极，与样品物体尺寸匹配，宽度：1.0 mm，长度：4.0 mm，高度：小于1.5 mm。该测试夹具的工作频率范围为DC至120 MHZ。e0和e00都是根据以下公式计算的：e0¼Cd= eoA以及介电损耗e00<$rdc=eoxtand<$D< $e00=e0其中C是放置在两个双极之间的样品的电容，作为电容，并且d是小于1.5mm的厚度取决于介电损耗e00和角频率x的直流电导率rdc表示电荷迁移率。样品矩阵或样品网络内的列。因此，耗散的能量可以用于在施加的电场下驱动电荷载流子，如以下等式所示rdcrse00eox此外，介电性质是指与外部电场有关的组织内的电荷及其携带组织的直流电导率表示它们在外场作用下的自由电荷运动。因此，生物材料的介电响应总是与频率相关的。因此，线性响应意味着介电特性与外部电场强度无关，这在外部电场不是很强时是真实的。2.5. FTIR光谱冷冻干燥样品的所有FTIR测量在室温下在4000-3. 结果和讨论介电谱是一种重要的物理工具，用于模拟和评估暴露于无线电波的组织中的能量沉积[20]。本节介绍了假手术、10 cGy和2 Gy辐照大鼠肺组织的介电特性。图1示出了作为介电常数在室温下E0与所施加的频率的关系。从100 Hz到10 MHz测量了介电常数e0和介电损耗e00介电常数e 0的值 假照射组从88开始，在102 Hz-10 4 Hz的频率范围内快速地进行另在高频范围105 Hz-107 Hz时，介电常数为41，称为无穷大介电常数e1。es值较低的原因可能是由于冷冻干燥从组织中除去水分的样品留下组织的非液体成分，包括细胞膜和脂质。这些值之间的差异（88和41）指到的介电强度内-分子动力学过程ese1[9]。这是一致的骨组织的介电特性Gabriel等人在1996年测量了这些数据[3]。然而，具有大量水含量的其他器官在低RF频率下记录了非常高的介电常数值（105 虽然10 cGy辐照的样品显示出较低的介电常数值45300A.B. Abdelrazzak等人/埃及基础与应用科学杂志5（2018）298ð Þ0Fig. 1.介电常数为0Ω。假手术组、10 cGy组和2 Gy照射组的介电常数变化作为频率 的函数。图二.介电损耗约为00Ω。假手术组、10 cGy组和2 Gy照射组的介电损耗的变化是频率的函数。在低频，在高频，41. 2 Gy辐照样品表现出不同的趋势，在低频下介电常数值较高，为57.6，随后在较高频率下显著下降至43由外加电场引起的分子结构的内部动力学过程可以通过测量介电损耗E00。 图图2显示了介质损耗e00对于假手术组、低剂量照射组和高剂量照射组。 所示图中，部分弛豫过程出现在样品的低RF频率下，界面或电极极化起作用，特别是在假辐照组和高剂量辐照组中。而低剂量辐照组则没有出现任何弛豫过程。总体趋势表明弛豫过程向低频移动。由于电极极化的干扰，很难确定低RF区域的弛豫过程[21]。因此，用弹性模量M0来消除电极极性的影响因为它被认为是一个有用的相关性，以获得分子动力学及其相关的松弛过程清楚，容易如图所示。3和4如图3所示，在低剂量照射组中，电模量M0的实部从0.020略微增加到0.020。0.024，这是由于其向低频区域的高偏移然而，假照射组的电模量M0在达到平台水平之前显示出从0.002到0.022的急剧增加。这种典型的完全放松行为，Cess反映了大分子的分子动力学变化，并归因于结构的柔性和增大织构中的自由体积[14]。电模数高剂量照射组的M在103因此，电模量的虚部M00是有用的，以显示松弛过程中没有任何贡献的交流电导率由于电极极化。 图 四是形象化--2Gy照射组的M00弛豫过程与假照射组的M00弛豫过程相反。中间弛豫过程峰。这是由于2Gy照射导致的肺组织细胞膜的主要弛豫几乎没有变化的证据。然而，对于10 cGy辐照，观察到向非常低的频率偏移。这些数据清楚地表明了电离辐射对细胞膜流动性的影响。图3.第三章。电模量的实部为 <$M0<$。假手术组、10cGy组和2Gy照射组的电模量M0实部随频率的变化自由体积分布取决于温度和频率，并影响弛豫峰值频率[22]。我们的结果表明，10 cGy辐照导致更大的位移弛豫峰向低频比2 Gy辐照。这意味着与2 Gy照射相比，10 cGy照射导致细胞膜刚性增加。线性系统中的介电弛豫过程是指分子在施加电之前恢复其原始状态所需的时间延迟[23]。 10 cGy辐照组的弛豫时间很高，这是由于弛豫峰向低频移动的分子的刚性越大，分子的自由体积就越小，因此松弛过程所需的时间就越长。因此，观察到更低频率的偏移[22]。温度的变化显著影响介电弛豫过程[23]。在本研究中，所有样品均在室温下测量因此，温度对我们的结果的影响可以忽略不计，这表明介电弛豫过程向较低频率的偏移仅仅是由于电离辐射对样品中的大分子的影响。A.B. Abdelrazzak等人/埃及基础与应用科学杂志5（2018）298301图四、电模量的虚部为 <$M0 0<$。测量假手术组、10cGy组和2Gy照射组的电模量虚部（M00）与频率的关系。图5示出了如前面的等式所示的直流电导率。所有辐照组和假辐照组均显示出相同的脂质和聚合物属性行为。在低频率下，不能检测到电荷载流子移动通过样品见图6。FTIR光谱。假手术组、10 cGy组和2 Gy照射组大鼠肺的FTIR光谱。表1假手术组、10cGy组和2Gy照射组CH2不对称伸缩FTIR谱带位置和半高宽（FWHM）的变化而移动电荷和离子通过SAM的阈值，条带位置（cm-1）FWHM脉冲开始于106 Hz，其中施加高能量场以下是─假照射292024.4353一个戏剧性的和显着的增加是由于开始收费10 cGy辐照292125.0501在电极之间进行运动没有饱和2Gy辐照292224.7212水平（高原）达到较高的频率，这意味着继续-随着外加电场的增加，电荷的移动也随之增加。为了进一步研究低剂量和高剂量的ioniz-用红外光谱法研究了辐射对细胞膜构象的 图图6示出了该化合物的FTIR光谱。假手术组、10 cGy组和2 Gy照射组在4000-如图6和表1所示，假照射组的CH2不对称伸缩振动带位于2920 cm-1处。 然而，这条带稍微移动了在10 cGy和2 Gy照射组中均朝向更高的波数，在2 Gy照射组中观察到更高的偏移。该频带的偏移表明系统顺序的减少图五. DC电导率。假手术、10 cGy和2 Gy照射组的DC电导率变化作为频率的函数。TEM，这可能与膜流动性的增加相关[17，24]，其中2Gy照射对膜流动性具有更高的影响。这些结果与我们的介电数据一致，表明2 Gy照射组比10 cGy照射组显示出更大的灵活性（由于流动性增加），这两组之间的介电弛豫过程的差异表明。此外，还记录到CH2不对称伸缩振动带的带宽增加（表1）。这表明辐照组的膜流动性增加[18]。由于脂质酰基链的自由旋转和侧向脂质运动，膜流动性的增加总是伴随着有序性的降低[15，25]。所有这些数据都表明，由于辐射，细胞膜的分子结构出现不同程度的紊乱，在2 Gy照射后观察到最高程度的紊乱。然而，我们的研究结果似乎是合乎逻辑的，即较高的辐射剂量引起较高的影响，他们指出了与低剂量辐射相关的风险及其对人类健康的影响4. 结论我们的研究结果揭示了10 cGy照射后大鼠肺细胞膜的显著构象变化，2 Gy辐照。测量各种介电参数介电常数e0，介电损耗e00，电模量M 0，虚部部分电学模量M00和直流电导率揭示了两种辐照均增加了膜的流动性。的显著辐照后弛豫峰向低频的移动表明细胞膜的流动性发生了变化。即使在冷冻干燥后不含水的情况2Gy辐照-302A.B. Abdelrazzak等人/埃及基础与应用科学杂志5（2018）298诱导的膜流动性远高于10 cGy照射后记录的。此外，FTIR数据证实，在细胞膜的显着的构象变化后，与2Gy照射具有主要影响。这些数据还强调了低剂量辐射暴露通过其在细胞水平上的破坏作用而5. 供资的作用这项研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何具体的资助。引用[1] Hall EJ ， Giaccia AJ. 放 射 生 物 学 为 放 射 科 医 生 。 Lippincott Williams&WilkinsPhiladelphia; 2006.[2] GaschlerMM，Stockwell BR. 脂质过氧化导致细胞死亡。 Biochem BiophysResCommun 2017;482（3）：419-25.[3] 作者：Gabriel S，Lau R，Gabriel C.生物组织的介电特性：II。 在10 Hz至20GHz的频率范围内进行测量。 物理医学生物学1996;41（11）：2251.[4] 放大图片作者：Peyman A，Holden S，Gabriel C微波频率下组织的介电特性。2005年流动社区卫生研究方案最终报告。[5] SasakiK，Wake K，Watanabe S. 在0.5 GHz至110 GHz的频率下测量表皮和真皮的介电特性。 物理医学生物学2014;59（16）：4739。[6] 李国雄，李国雄，李国雄. 猪脑组织在800 - 1900 MHz频率下从生到死的过渡过程中的介电特性。生物电磁学2003;24（6）：413-22.[7] Wasserman E，Wood B，Brodholt J.高压和高温条件下水介电常数的分子动力学研究。BerBunsenges Phys Chem 1994;98（7）：906-11.[8] 戈利奥M RF和微波手册 CRC Press; 2000.[9] 乌本霍斯特湾宽带介电谱。 由FriedrichKremer和Andreas Schonhals编辑。Wiley Online Library;2004.[10] 普什泰·格雷本从分子动力学模拟精确计算介电常数：SPC/E和SWM 4-DP水的情况。化学物理学通讯2011;507（1-3）：80-3。[11] Cosman B ， Cosman E. 神 经 外 科 射 频 损 伤 生 成 指 南 。 Burlington ， MA ：Radionics;1974.[12] Cosman B，Cosman E.神经外科射频损伤生成指南。放射学程序技术系列专论。Burlington（MA）：Radionics，Inc; 1974.[13] 放大图片作者：Wagner H，Richert R.聚醋酸乙烯酯中电场的介电弛豫：10 - 3 -10 - 6 s范围内的时域研究。聚合物1997;38（2）：255-61.[14] 加百列角生物组织的介电特性：随年龄的变化。生物电磁学2005;26（S7）.[15] Bozkurt O，Severcan M，Severcan F.糖尿病诱导大鼠骨骼肌成分，结构和功能的变化揭示了FTIR光谱：与EDL肌肉的比较研究。分析师2010;135（12）：3110-9。[16] 放大图片作者：Cakmak G，Togan I，Severcan F. 17 b-雌二醇诱导虹鳟鱼肝脏的组成，结构和功能变化，通过FT-IR光谱揭示：与壬基酚的比较研究。水生毒理学2006;77（1）：53-63。[17] Severcan F，Kaptan N，Turan B.糖尿病大鼠心脏粗膜的傅里叶变换红外光谱研究。J Spectroscopy 2003;17（2- 3）：569-77.[18] Gasper R，Dewelle J，Kiss R，Mijatovic T，Goormaghtigh E.红外光谱作为一种新的工具，证明抗肿瘤药物的签名，生物化学和生物化学。Acta（BBA）-生物膜2009;1788（6）：1263-70。[19] 放大图片作者：McCrum NG，Read BE，Williams G.聚合物固体中的滞弹性和介电效应，1967年。[20] Shahzad A，Khan S，Jones M，Dwyer RM，O'Halloran M.体外测量中脱水对 组 织 介 电 特 性 影 响 的 研 究 。 Biomed Phys Eng Express 2017;3 （ 4 ） ：045001。[21] [10]张文辉，张文辉.介电测量中的电极极化：综述。Meas Sci Technol2013;24（10）：102001.[22] 张文龙，张文龙，张文龙.氯化聚乙烯中无定形链段运动引起的自由体积分布和介电弛豫。Jpn J Appl Phys 1986;25（3R）：485.[23] Riande E，Díaz-Calleja R.聚合物的电性能。Wiley OnlineLibrary 2004.[24] SevercanF，Sahin I，Kazancoung N. 褪黑激素强烈相互作用与两性离子模型膜-证据从傅立叶变换红外光谱和差示扫描量热法。生物化学与生物制药学报（BBA）-生物膜2005;1668（2）：215-22。[25] Subczynski WK，Widomska J，Feix JB. 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