皮秒脉冲电场抗宫颈癌移植瘤血管生成效应及机制的实验研究

摘要

近年来，世界范围内都致力于发现新的恶性肿瘤治疗策略，作为一种新兴的肿瘤生物学治疗方法，脉冲电场(pulsed electric fields, PEF)逐渐被人们所重视。根据脉宽的不同，脉冲电场又分为毫秒脉冲电场、微秒脉冲电场、纳秒脉冲电场以及皮秒脉冲电场。目前对毫秒、微秒和纳秒级脉冲电场的研究已取得了较大进展：基于微秒级脉冲电场可逆性电穿孔现象的电化学疗法是继手术、放疗和化疗之后治疗恶性肿瘤的一种新的有效方法；纳秒级脉冲电场引起的一系列称为细胞内处理效应的细胞反应，在肿瘤的治疗中也展现出了较好的前景。然而，微秒及纳秒脉冲电场需要采用电极阵列穿刺至肿瘤组织才能将电场传输至肿瘤内部，因此在一定程度上限制了它们的临床应用。
　　皮秒脉冲电场通过冲激脉冲辐射天线无创地将脉冲电场传输至生物组织内部，能有效的杀伤肿瘤细胞，并且能避免对肿瘤组织周边正常组织的损伤，从而实现肿瘤的无创治疗。因此，皮秒脉冲电场匹配超宽带的冲激脉冲辐射天线以其优异的特性在生物医学治疗领域引起了人们极大的兴趣。
　　由于新生血管在肿瘤的生长、浸润和转移方面发挥着重要作用，因此抑制肿瘤血管生成，阻断肿瘤营养供应，是抗肿瘤血管生成治疗的主要理论基础。然而，目前研究者们在这方面的研究主要集中在微秒和纳秒脉冲电场，其中Cemazar等发现微秒脉冲电场可以直接损伤血管内皮细胞，导致血流中断，增强对肿瘤的毒性作用；Chen等用纳秒脉冲作用于小鼠肝细胞癌，发现VEGF表达降低，MVD降低。据查新，还没有皮秒脉冲电场对肿瘤血管生成影响的实验研究。
　　在恶性肿瘤中，因宫颈癌从早期的癌前病变发展到真正的恶性病变存在一个较长的“窗口期”（数年至十余年不等），因此被称为“善良的恶性肿瘤”。这一较长的“窗口期”为皮秒脉冲电场治疗提供了一个非常合适的时机。因此本课题以BALB/c裸鼠为人宫颈癌移植瘤动物模型的载体，从组织水平深入研究皮秒脉冲电场抗宫颈癌移植瘤血管生成效应及机制，从而完善皮秒脉冲电场用于肿瘤治疗的相关研究。
　　第一部分皮秒脉冲电场对宫颈癌移植瘤的杀伤效应及抗血管生成效应
　　第一节宫颈癌动物模型的构建
　　目的：构建宫颈癌移植瘤动物模型。
　　方法：将制备好的人宫颈癌HeLa细胞悬液0.2ml（5×106/ml）接种于裸鼠右下肢大腿根部皮下。当肿瘤直径长至0.8-1.0cm的时候，取下肿瘤并将其切成1.5×1.5cm3的小块，迅速接种于待接种裸鼠皮下，以构建人宫颈癌移植瘤模型。约三周左右移植瘤直径可达1.0cm。
　　结果：成功构建人宫颈癌移植瘤动物模型。
　　第二节皮秒脉冲电场对宫颈癌移植瘤的杀伤效应
　　目的：离体观察皮秒脉冲电场对宫颈癌移植瘤的作用
　　方法：将人宫颈癌移植瘤裸鼠随机分为四个组：对照组（无任何处理）、50kV/cm处理组、60kV/cm处理组和70kV/cm处理组。其中，三个实验组其它参数固定如下：脉宽800ps，频率3Hz，脉冲个数2000个。皮秒脉冲电场处理后一周取下肿瘤进行组织切片。分别采用HE染色和透射电子显微镜观察肿瘤组织的大体变化及肿瘤细胞、血管内皮细胞超微结构的变化。
　　结果：皮秒脉冲电场处理后一周，实验组肿瘤组织坏死面积随着皮秒脉冲电场强度的增加而增大，坏死程度也逐渐加重；电镜下，实验组肿瘤细胞内内质网和线粒体随电场强度的增加呈现不同程度的肿胀和扩张，同时细胞间连接逐渐减少，70kV/cm处理组，肿瘤细胞及血管内皮细胞几乎无法辨别。
　　结论：皮秒脉冲电场对宫颈癌移植瘤肿瘤细胞和血管内皮细胞具有明显的杀伤效应。
　　第三节皮秒脉冲电场对宫颈癌移植瘤血管生成的影响
　　目的：在体和离体观察皮秒脉冲电场对宫颈癌移植瘤血管生成的影响。
　　方法：实验分组及皮秒脉冲电场处理方法同前。于皮秒脉冲电场处理前和处理后一周，通过裸鼠尾静脉注射光声造影剂ICG，采用光声成像技术在体观察移植瘤组织内的血管变化情况；光声成像后取下移植瘤进行组织切片，免疫组化染色体外观察肿瘤组织内血管的变化情况。
　　结果：与对照组相比，实验组肿瘤组织内血管的光声信号随着电场强度的增加而逐渐减弱，其中以60kV/cm和70kV/cm处理组下降最为明显；免疫组化结果表明：实验组肿瘤组织内微血管密度随着电场强度的增强逐渐下降，同样以60kV/cm和70kV/cm处理组下降最为明显。
　　结论：皮秒脉冲电场具有抗宫颈癌移植瘤血管生成的效应。
　　第二部分皮秒脉冲电场抗宫颈癌移植瘤血管生成效应的机制
　　目的：研究皮秒脉冲电场抗宫颈癌移植瘤血管生成效应的机制。
　　方法：实验分组及皮秒脉冲处理方法同前。于皮秒脉冲电场处理前和处理后一周，采用光声成像技术在体观察移植瘤内血氧饱和度的变化情况。光声成像后取下肿瘤组织进行组织切片，免疫组化染色观察肿瘤内血管生成相关因子HIF1α和VEGF的组织表达情况；WB和PCR从翻译和转录水平检测上述因子的蛋白和基因表达情况。
　　结果：与对照组相比，实验组移植瘤内血氧饱和度随着皮秒脉冲电场强度的增加逐渐下降，以60kV/cm和70kV/cm处理组下降最为明显。同时，免疫组化结果显示，随着皮秒脉冲电场强度的增大，VEGF和HIF1α的组织表达逐渐减少，70kV/cm处理组几乎不见阳性染色细胞；WB和PCR的结果显示，实验组VEGF和HIF1α的蛋白表达及基因转录水平均随着脉冲电场强度的增大而逐渐下降，以60kV/cm和70kV/cm处理组下降最为明显。
　　结论：皮秒脉冲电场能造成移植瘤内严重的缺氧，同时下调肿瘤内血管生成相关因子VEGF和HIF1α的表达。