交变电场作用下癌细胞和正常细胞内熵产生的测量和比较

摘要

近年来，电场作用下细胞（特别是癌细胞）的生物学效应和外加电场的参数选择正在成为人们研究的热点。尽管这些研究非常的细致，但是忽略了癌细胞和正常细胞之间存在着巨大的热力学差别。细胞作为一个热力学系统，熵产生是必不可免的。癌细胞和正常细胞结构上存在着巨大的差异，通过理论计算可知在没有外场的作用下，癌细胞内部的熵产生明显高于正常细胞，两者之间的差值大约在2.7×10-16J/(K·s)～2.2×10-14J/(K·s)的范围内。熵流的方向是从癌细胞到正常细胞。但是在一定外场的作用下，正常细胞内部的熵产生高于癌细胞，可能阻止甚至改变熵流的方向。熵流伴随着信息流。这就可能提供了一种治疗癌症的方法。对交变电场作用下细胞内部的熵产生进行理论研究发现细胞内部的熵产生随电场强度的增加单调上升，电场强度在5-40V/cm范围内可能达到治疗要求。由此可见，在实验上研究细胞内部的熵产生是非常重要的。但是由于细胞体积小并且在培养基中，实验上测量细胞内部的熵产生是非常困难的。
　　本文利用细胞在电场和环境中温度变化以及此过程中细胞的热量变化，提出一种新的测量细胞熵产生的方法，设计了测量交变电场作用下细胞内部熵产生的实验装置。为了消除不确定因素，实验时间选为300s，并且使用的温度传感器可以满足测量要求，重复实验每次都使用新的细胞，时间上尽量选为连续的两天。
　　测量和比较了交变电场作用下两对来自人同一组织的癌细胞（MDA-MB-231人乳腺癌细胞和SMMC-7721人肝癌细胞）和正常细胞（MCF10A人乳腺上皮正常细胞和HL-7702人肝正常细胞）的熵产生。结果表明:这种方法能够非常有效的测量交变电场作用下细胞内部的熵产生。电场强度在5-40V/cm的范围内交变电场引起的癌细胞内部熵产生随着场强的增加单调上升，而正常细胞内部的熵产生是非单调上升的，电场强度在在5-30V/cm的范围内出现了一个峰值。电场强度在在5-25V/cm的范围内，电场引起的癌细胞内部熵产生和正常细胞的比值（MDA-MB-231/MCF10A和SMMC-7721/HL-7702）明显小于1。这对理论估算提供了一定的实验支持，并为进一步研究两类细胞的热力学差别提供依据。
　　对实验数据进行了误差分析，单因素方差分析。结果表明:误差远小于实验数据，无电场作用和电场作用下细胞具有明显的统计意义。实验过程中环境温度变化大约为0.8％，在熵产生计算中完全可以忽略。
　　我们提供了一个实验上研究细胞热力学性质非常有效的手段，并且可以进一步研究交变电场作用下正常细胞和癌细胞的差异。从实验结果来看，电场强度在5-25V/cm的范围内，交变电场作用下，正常细胞内部的熵产生要高于癌细胞内部的熵产生，并且癌细胞和正常细胞内部交变电场引起的熵产生差值达到了10-14J/(K·s)，这已经达到了无外场时癌细胞和正常细胞内部熵产生的差值，这有可能阻止甚至反转癌细胞和正常细胞之间熵流和信息流方向的要求，从而达到治疗的要求，这将为治疗癌症提供了一个新的线索和依据。
　　本工作的创新之处包括:提出了一个实验上测量活细胞内部熵产生的方法;测量和比较了交变电场作用下两对来自同一组织的癌细胞和正常细胞内部的熵产生;这将提供了一个实验上研究细胞热力学性质非常有效的手段。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 外加电场对细胞作用的研究现状

1．1．1 外加电场对细胞生物学效应的研究现状

1．1．2 外加电场参数的研究

1．2 细胞中熵产生的研究现状

1．2．1 癌细胞和正常细胞的生物学差异

1．2．2 癌细胞和正常细胞内的熵产生

1．3 常用的熵产生测量方法

1．4 本文的主要工作

1．5 总结

第二章 交变电场作用下正常细胞和癌细胞熵产生的理论研究

2．1 引言

2．2 交变电场作用下正常细胞和癌细胞熵产生的理论研究

2．2．1 理论模型

2．2．2 结果

2．3 讨论

2．4 总结

第三章 交变电场作用下细胞熵产生的测量装置和方法

3．1 引言

3．2 实验装置和方法

3．2．1 实验装置

3．2．2 测量交变电场作用下细胞熵产生的基本理论方法

3．2．3 温度模拟的具体计算

3．2．4 交变电场作用细胞实验

3．2．5 误差和统计分析

3．3 总结

第四章 交变电场作用下正常细胞和癌细胞熵产生的测量和比较

4．1 引言

4．2 材料和方法

4．2．1 细胞培养

4．2．2 实验装置

4．2．3 交变电场作用下细胞熵产生测量和比较的基本方法

4．2．4 误差和统计分析

4．3 结果和讨论

4．3．1 温度变化曲线

4．3．2 回归方程中的最佳系数

4．3．3 每个实验条件下环境温度，有无电场作用下样品的温度平均值

4．3．4 细胞内熵产生和电场强度之间的关系

4．3．5 癌细胞和正常细胞内熵产生的比较

4．3．6 细胞数据的误差分析

4．3．7 细胞数据的单因素方差分析

4．4 总结

第五章 总结和展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

附录

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表及完成的学术论文