纳秒脉冲诱导肿瘤凋亡的作用机理及亚纳秒脉冲无创聚焦机制的研究

摘要

近年来,脉冲电场对细胞结构和功能的影响与对生物体的治疗作用逐渐成为生物电磁技术领域的研究热点,其中纳秒脉冲电场独特的靶向诱导肿瘤细胞凋亡的生物电效应更是引起了细胞生物学家的极大兴趣。脉冲电场诱导肿瘤凋亡用于临床肿瘤治疗时兼具靶向选择和凋亡微创两大独特优势,能大大降低对周围正常组织的损伤;此外,亚纳秒脉冲独特的超宽带特性在无创聚焦治疗领域具有广泛的应用前景。因此,研究纳秒脉冲诱导肿瘤凋亡的作用机理和亚纳秒脉冲无创聚焦的机制,对于推进肿瘤临床治疗有着特别重要的意义。
　　然而,欲实现纳秒/亚纳秒脉冲电场的临床应用,必须明确纳秒脉冲诱导肿瘤凋亡的作用机理,同时需要揭示亚纳秒脉冲无创聚焦的机制。为此,本文在国家自然科学基金重点项目(批准号:50637020)、国家自然科学面上项目(批准号:50877083)和教育部博士点基金(批准号:20100191110019)的支持下,深入研究纳秒脉冲电场诱导肿瘤凋亡的作用机理和亚纳秒脉冲电场无创聚焦的机制。取得的主要成果有:
　　①建立了球形单细胞全电路等效模型,并成功引入细胞各结构组分介电参数的频率色散效应和细胞膜的电穿孔效应,对纳秒/亚纳秒脉冲电场作用下细胞膜及核膜的跨膜电位进行了定量计算,从而揭示了脉冲电场的靶向效应。
　　②基于传统的Marx发生器技术,结合高压大功率电力电子开关技术和测控技术,研制出一套基于 FPGA控制的纳秒脉冲治疗装置,该脉冲治疗装置具有快上升沿(~35 ns)、高强度(0~8 kV)、脉宽动态可变(200~1000 ns)、重复频率连续可调(1~1000 Hz)等特点;此外,基于传统纳秒脉冲产生的基本原理,通过前沿陡化和尾部削切,研制出一套输出幅值高达100 kV、前沿600 ps、脉宽800 ps的高压亚纳秒脉冲治疗装置。
　　③以人卵巢癌细胞 SKOV3为实验对象,揭示了纳秒脉冲脉宽参数与细胞凋亡之间的窗口效应机理;选择优化参数处理细胞,揭示了纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的内源性和外源性通路机制;选择黑色素瘤作为纳秒脉冲治疗肿瘤技术的适应症,通过活体荧光成像、抑瘤效应观察、相机随访等手段,证实纳秒脉冲可以实现局部瘤体的完全切除,并且治疗区域的疤痕能够迅速转归;采用DNA Ladder检测、Western blot和免疫组化检测Bax及Bcl-2的表达、免疫组化法检测MVD、VEGF及 PCNA蛋白的表达,进一步揭示纳秒脉冲治疗在体肿瘤时存在凋亡诱导和血管增生抑制两大效应。
　　④构建简易乳房组织模型,系统研究亚纳秒脉冲在乳房组织中的传播规律及聚焦特性;然后引入数字化人体大脑模型,研究亚纳秒脉冲在复杂生物组织中的聚焦特性。研究表明,亚纳秒脉冲电场匹配 IRA能够实现在低电导率、高介电常数生物组织中的良好聚焦;通过引入锥形天线及损耗介质透镜,亦可实现其在近似实际(s=0.5 S/m, e=9)乳房组织中的良好聚焦;同时,引入参数优化的损耗介质透镜,亚纳秒脉冲电场匹配IRA能够实现在深部(7-8 cm)脑组织中的良好聚焦。
　　综上所述,论文引入频率色散效应和电穿孔效应研究了纳秒/亚纳秒脉冲电场生物电效应的作用机理,研制出适用于生物医学实验的纳秒/亚纳秒脉冲治疗装置,在此基础上,系统研究了纳秒脉冲诱导肿瘤凋亡的窗口效应、内/外源性通路、疗效评估及治疗机制,随后开展了亚纳秒脉冲在生物组织中无创聚焦的研究工作,为纳秒/亚纳秒脉冲治疗肿瘤技术的临床应用提供了必要的理论依据和技术支撑。