关键词：
短脉宽电脉冲穿孔
细胞内效应
新型电化疗
碳纳米管
高效率细胞凋亡
肿瘤治疗
摘要：
随着人类对电脉冲的认识与应用的不断发展,电脉冲对于生命体产生的影响受到越来越广泛的关注。其中,短脉宽电脉冲由于其频率高,强度大等特点,能够有效穿过细胞膜,作用于细胞内部,因此,对于不同参数电脉冲引起的细胞内效应及其应用成为近年来生物电磁领域的研究热点。目前,短脉宽电脉冲已经能够作为一种直接或者间接的治疗手段,对多种疾病,特别是肿瘤进行治疗。然而,目前对于其作用效果的研究依然不够深入,并且在肿瘤治疗方面还存在一些缺陷。因此,研究不同参数的短脉宽脉冲作用下细胞的电响应,能够帮助业界更加全面的了解短脉宽电脉冲穿孔。同时,通过引入药物,纳米材料等辅助手段提高纳秒脉冲作用下肿瘤细胞的凋亡效率,也可为肿瘤治疗的进一步发展提供有力的支持。已有的研究表明,纳秒脉冲能够在诱导细胞膜表面产生纳米孔的同时,获得细胞内部的响应。然而,尽管细胞膜表面的孔隙尺寸较小,依然会有小分子(或离子)能够通过这些孔隙进入细胞内部,引起一系列生理反应。因此,基于脉宽越短,脉冲对于细胞内部的作用越强,而细胞膜受到的影响越小的理论,在本文的第一部分,我们使用皮秒脉冲作用于含有不同尺寸细胞器的复杂细胞系统,对其导致的电响应进行了研究,比较分析了脉冲强度,细胞器尺寸以及静息电位对其作用效果的影响。结果显示,不同于纳秒脉冲总是导致细胞膜先于细胞器穿孔的情况,我们通过合理调节脉冲强度,能够有效诱导细胞内部细胞器先发生电穿孔,同时能够保证细胞膜通透性不发生明显增强。另外,与纳秒脉冲相同,在无静息电位时,皮秒脉冲也会优先选择尺寸较大的细胞器进行穿孔。另外,我们还在本部分的研究中,比较了使用静电场模式以及射频模式计算得到的超短脉宽以及超短上升沿脉冲作用下的细胞响应,证实了在静电场模块中建立的短脉宽电穿孔计算模型的可靠性。电化疗是电穿孔应用于肿瘤治疗领域最初始的一种手段。传统的电化疗一般使用长脉宽电脉冲促使细胞膜表面形成可供药物分子通过的孔隙,从而提高化疗效率。然而,传统的电化疗手段使用的药物多为博来霉素且为了提高作用效果,药物浓度较高。另外,由于长脉宽电脉冲可能会引发热效应,因而导致包括炎症在内的其他副作用。因此,在本文的第二部分,我们使用了纳秒脉冲,配合低浓度紫杉醇来诱导人体乳腺癌细胞凋亡。通过结合使用分子动力学仿真以及分子生物学实验方法,我们对其的作用效果以及作用机制进行了研究分析。结果显示,纳秒脉冲能够降低紫杉醇透过细胞膜的势垒,使得紫杉醇更容易进入细胞,从而可以降低紫杉醇的有效利用率。另外,虽然纳秒脉冲对于紫杉醇诱发的抑制细胞分裂的效果没有协同作用,并且紫杉醇在促进纳秒脉冲内效应方面也没有显著效果,然而,二者通过不同的作用机制,在共同作用时,依然能够有效提高人体乳腺癌细胞的死亡率,从而为使用电化疗方法治疗乳腺癌提供了新的思路。使用纳秒脉冲能够获得细胞内效应,诱导细胞凋亡的同时,还能够引起免疫反应,抑制肿瘤再生。因此,纳秒脉冲可以作为一种物理技术手段被用于癌症治疗。然而,由于诱导细胞凋亡所使用的电脉冲需要的场强较高,因此,受到硬件技术的限制,通过该手段治疗肿瘤也不能被广泛研究以及使用。另外,纳秒脉冲所具有的肿瘤靶向性较弱,高强度的纳秒脉冲可能会对正常组织造成伤害,引起一定的副作用。因此,在本文的第三部分,我们引入了碳纳米管作为辅助手段,利用其具有的电特性、肿瘤靶向性以及生物相容性,提高纳秒脉冲诱导癌细胞凋亡的效率并且降低纳秒脉冲在肿瘤治疗中产生的副作用。研究结果表明,碳纳米管和低强度纳秒脉冲的联合作用能够显著增加人体结肠癌细胞的凋亡率,同时,单独的纳秒脉冲作用则不能够对相应的人体正常肠上皮细胞造成伤害。另外,通过有限元仿真以及实验检测,我们验证了碳纳米管可以放大纳秒脉冲在其尖端附近产生的电场,从而增强细胞膜通透性。之后,对于二者联合作用机制的进一步研究使我们最终认为,碳纳米管通过促进纳秒脉冲对细胞膜以及细胞内细胞器的刺激,干扰细胞正常的钙离子调控,最终导致细胞沿线粒体信号转导途径发生凋亡。因此,我们通过引入碳纳米管,实现了低场强纳秒脉冲诱导的高效率肿瘤细胞凋亡,并发现理解了其部分作用机制,不仅弥补了纳秒脉冲在肿瘤治疗领域应用的部分缺陷,还帮助业界更好地理解其作用原理,为未来使用该技术手段治疗癌症提供了有力支持。
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