地磁場在地球生命的產生、演化與繁衍中起著至關重要的作用，磁性也是生命體固有的屬性之一。外部磁場對生命活動具有廣泛的影響，例如，電磁場在工農業(yè)生產、日常生活與醫(yī)療健康中廣泛應用；在人類的空間探索活動中，航天員會面臨低于地球磁場的亞磁場環(huán)境。物質本身的磁性不同，在磁場環(huán)境中會受到不同的作用力。生物樣品整體而言大多呈抗磁性，同時生物體內也存在一些順磁性物質。因此，將生物體的磁性質與其磁場生物學相結合有助于探討磁場生物學效應背后的物理機制。

氧氣作為大部分生物體生理活動的必需物質，對于它的運輸過程以及影響其體內運輸?shù)亩喾N因素的研究具有十分重要的意義。2019年，William G. Kaelin Jr（美國）、Gregg L. Semenza（美國）和Sir Peter J. Ratcliffe（英國）三位科學家被授予諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，以表彰他們在細胞如何感知和適應氧氣供應方面的偉大發(fā)現(xiàn)。

同時，氧氣在外界磁場作用下具有順磁性，即氧氣在磁場中向磁場強度增大的方向流動。這一特性也吸引了眾多研究者深入探究，為磁場對生物體內氧氣的利用及其醫(yī)學應用奠定了基礎。

磁場作為非侵入式物理條件，在一定條件下可以促進生物體內氧氣的利用。西北工業(yè)大學的研究人員立足于磁場和氧氣的基本概念，介紹磁場促進生物體內氧氣利用的生物學機制，討論與之關聯(lián)的呼吸-循環(huán)系統(tǒng)障礙性疾病以及相關醫(yī)學應用，并對該領域的發(fā)展前景予以展望，為磁場在生物體內氧氣利用方面的進一步推廣與應用提供一定的參考和依據(jù)。

圖1 磁場作用下紅細胞的形態(tài)變化

研究人員指出，已有很多基礎研究發(fā)現(xiàn)，不同的磁場可從不同的生物學機制促進機體對氧氣的利用，同時科學家們也將其成果應用于醫(yī)學領域。還有針對缺氧癥狀和最近流行的新冠病毒肺炎，科學家們希望利用外加磁場提出可行性方案緩解呼吸困難和用于患者的康復診療中。

1 磁場調節(jié)氧代謝的醫(yī)學應用

利用磁場可以加速機體的氧代謝，改善異常狀況的呼吸-循環(huán)系統(tǒng)。有研究團隊對7名健康成年人進行低頻重復的經顱磁刺激（1Hz），20min后觀察運動皮層、腦血流（Cerebral Blood Flow, CBF）和組織氧合的變化，發(fā)現(xiàn)刺激使同側中位CBF顯著增加（33%）。在受刺激的半球，氧消耗代謝率顯著增加（28%）。

采用恒定磁場（250mT，1次/日，1次20min，間斷治療共計20日）有氧方法，充分利用磁場改善面神經的血氧供應，促進軸流運動，使受損的面神經髓鞘和軸突得以修復、再生，經觀察，治療病程3個月以上，頑固性面癱136例收到顯著效果，總的有效率為99.26%。

王柳青團隊觀察31例腦血管病患者離體血液經過2.93T SMF作用后，血液黏度明顯降低，尤其腦血栓的降低更明顯。由此可見，磁場調節(jié)氧代謝的目的和意義主要在于改善異常狀況下的呼吸-循環(huán)系統(tǒng)障礙。未來在醫(yī)學上的應用應當聚焦于呼吸困難和與氧代謝相關的循環(huán)系統(tǒng)障礙疾病有關的輔助治療手段。

2 COVID-19的康復治療

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）自2019年12月起，到目前為止已造成全球約10038多萬人確診，對人類的生命健康、國家經濟造成了嚴重威脅和影響?；颊邥霈F(xiàn)發(fā)熱、乏力、咳嗽等癥狀，還會引起嗅覺失靈、神經系統(tǒng)損害進而引起不同程度的腦損傷、孕婦胎盤損傷等，其中，肺纖維化癥狀以及呼吸障礙等也是臨床面臨的棘手問題。

哥倫比亞大學歐文醫(yī)學中心研究人員通過一個回顧性觀察研究，發(fā)現(xiàn)黃斑變性病史和凝血障礙病史（血小板減少癥、血栓形成和出血）與COVID-19高風險發(fā)病率和死亡率相關。2020年2月，劉良團隊通過一新冠肺炎死亡尸體系統(tǒng)解剖大體觀察報告，發(fā)現(xiàn)患者紅細胞數(shù)目和Hb值降低，死亡前3天血氧飽和度下降至70%～80%，面罩吸氧加大氧流量（40L/min，氧氣濃度為60%）后血氧飽和度上升至98%左右。尸檢結果還表明，死者肺部損傷明顯，主要引起深部氣道和肺泡損傷、肺部纖維化與實質病變。

新型冠狀病毒入侵時的細胞受體是ACE2，而在肺臟中ACE2蛋白主要存在于Ⅱ型肺泡細胞和分泌細胞（club cell）這兩種肺臟祖細胞表面，新型冠狀病毒進入呼吸道后，就在這些祖細胞內進行復制并損傷肺臟。在患者中，紅細胞數(shù)目和Hb含量減少，使血液攜氧能力降低或與Hb結合的氧不易釋出，導致組織細胞供氧不足而引起缺氧，引起患者呼吸困難，使得血氧飽和度明顯下降。

肺是呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)的重要器官，對于氣體交換起著至關重要的作用，肺損傷和肺部病變又進一步加重呼吸衰竭癥狀，整個過程是一個復雜的惡性循環(huán)過程，影響因素較多，最終導致患者的死亡。因此設想可將磁場應用于患者的治療康復中。已有研究發(fā)現(xiàn)，對臨床37例放射性肺纖維化患者，應用交變磁場15天后，患者的臨床癥狀和呼吸生物力學障礙均得到全面緩解。

研究人員希望結合磁場相關設備在面罩吸氧和呼吸機應用方面提高機體對氧氣的利用，改善患者的生命體征，尤其極大改善呼吸困難癥狀。

最后，研究人員指出，如何將磁場相關設備與目前已有的面罩吸氧和呼吸機等醫(yī)療設備相結合；如何將氧氣靶向精準地輸送到缺氧病變組織和器官；如何將機體內的氧氣濃度控制在閾值范圍內，不會對機體產生毒害作用等這些關鍵技術均需繼續(xù)進行系統(tǒng)且深入的研究。希望科學家們在已有成果和后續(xù)研究的基礎上，能夠為研發(fā)出電工醫(yī)學交叉領域的促進氧氣利用的新型“藥物”提供更多的理論依據(jù)，為康復理療奠定基礎。

以上研究成果發(fā)表在2021年第4期《電工技術學報》，論文標題為“磁場促進生物體內氧氣利用的機制及其醫(yī)學應用”，作者為苑曦宸、張彬 等。