中频低强度电场肿瘤治疗中的生物物理机制及肿瘤状态监测方法研究

摘要

一定范围内的中频低强度正弦电场（100~300kHz，1~3V/cm）被发现对多种不同类型的肿瘤细胞的增殖具有抑制作用，这类电场被称作肿瘤治疗电场（Tumor Treating Fields，TTFields）。虽然大量离体细胞实验和动物实验证实了肿瘤治疗电场能够延缓、甚至阻断肿瘤生长，但与其相关的两个方面的问题还未有效解决。一是肿瘤细胞在中频低强度电场作用下，电场对细胞造成增殖抑制影响的内在生物物理机制还不明晰；另一方面是得到FDA认证的肿瘤治疗电场在人体胶质母瘤（Glioblastoma，GBM）治疗的临床应用中，由于治疗疗程时间长，肿瘤状态的实时跟踪监测与评估还未有简单有效的方式。治疗机制不明和肿瘤状态变化不能实时监测让一些学者和医护人员对肿瘤治疗电场的疗效产生了疑虑，限制了中频低强度电场在肿瘤治疗临床应用中的发展。现有关于肿瘤治疗电场的研究多通过细胞实验观察电场抑制的宏观效应，而对其在次细胞水平上的机制研究较少，对GBM肿瘤治疗中的肿瘤状态实时跟踪监测方法研究更是鲜有。　　针对以上问题，本文开展了中频低强度电场肿瘤治疗中的生物物理机制及肿瘤状态的监测方法研究。本文首先对不同中频低强度电场条件下，HeLa肿瘤细胞（人宫颈癌细胞）的增殖情况进行了实验分析；然后，对肿瘤治疗电场作用下，单细胞内部的电场和热场分布进行了理论分析与仿真计算；进而结合仿真计算和细胞实验的研究结果，在次细胞水平上，对中频低强度电场抑制肿瘤细胞增殖的机制进行了研究分析；最后，研究了肿瘤状态与阻抗变化的关系，提出了基于电阻抗变化的离体细胞和颅内GBM肿瘤状态实时监测方法，并进行了仿真与模拟实验研究。　　本文通过HeLa细胞实验，证明了中频低强度电场对肿瘤细胞增殖的抑制效应，并对比分析了场强、频率、波形等不同电场条件对抑制效果的影响。在仿真研究中，首先建立了正常和肿瘤细胞的单细胞规则与不规则模型，对细胞处于不同分裂状态、不同电场条件和不同细胞参数下细胞内部的电场和温度场情况进行了分析比较；进一步对组织水平细胞群内电场、温度场的分布情况进行了仿真研究。基于实验和仿真结果，分析了中频低强度电场对肿瘤细胞的热效应、力效应和细胞内环境破坏效应，揭示了电场的“热效应”和“力效应”并不是抑制肿瘤细胞增殖的内在机制，而电场诱导细胞膜电位变化影响Ca2+浓度，导致细胞骨架微管装配困难是中频低强度电场杀伤肿瘤细胞的机制。最后，为解决肿瘤治疗电场进行GBM治疗应用中肿瘤状态的跟踪监测问题，提出治疗电极的复用功能，探究分析了通过测量电极间电阻抗变化对颅内肿瘤大小进行评估的方法，证明了其潜在应用价值。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 本文的研究背景与意义

1.2.1 癌症及其危害

1.2.2 肿瘤电磁场疗法

1.2.3 中频低强度电场疗法的优势与不足

1.3 国内外研究现状

1.3.1 中频低强度电场治疗肿瘤的机制研究现状

1.3.2 中频低强度电场治疗中肿瘤状态的监测方法研究现状

1.4 本文的主要工作

2 中频低强度电场对HeLa肿瘤细胞增殖抑制的实验研究

2.1 引言

2.2 实验平台搭建

2.2.1 细胞培养皿的设计与改造

2.2.2 电场的发生与施加

2.2.3 实验平台合理性验证

2.3 实验材料与方法

2.3.1 细胞传代培养

2.3.2 细胞实验组设置

2.3.3 细胞生存状态评估

2.3.4 细胞增殖定量评估

2.4 实验结果分析

2.4.1 细胞形态及活性变化

2.4.2 细胞增殖数量变化

2.5 电场参数对实验结果的影响讨论

2.5.1 不同电场强度的影响

2.5.2 不同电场频率的影响

2.5.3 不同电场波形的影响

2.6 本章小结

3 中频低强度电场下细胞内电-热场分布研究

3.1 引言

3.2 生物细胞的电特性

3.3 细胞内电-热场计算数学模型

3.3.1 电场数学模型

3.3.2 热场数学模型

3.4 单细胞内电场仿真分析

3.4.1 基于规则单细胞模型

3.4.2 基于不规则单细胞模型

3.4.3 细胞内电场多参数影响讨论

3.5 单细胞内热场仿真分析

3.5.1 仿真模型建立

3.5.2 温度场结果分析

3.6 细胞群内电-热场仿真分析

3.6.1 电场仿真分析

3.6.2 温度场仿真分析

3.7 本章小结

4 中频低强度电场肿瘤治疗的生物物理机制研究

4.1 引言

4.2 热损伤机制

4.2.1 电场对肿瘤细胞的温升影响

4.2.2 电场对细胞群的温升影响

4.3 电场力破坏机制

4.3.1 电场力对微管二聚体取向的影响

4.3.2 电场力对染色体牵引运动的影响

4.3.3 电场力对带电粒子运动的影响

4.4 介电泳力破坏机制

4.4.1 介电泳力对不带电极性粒子的作用

4.4.2 介电泳力干扰胞质内粒子运动的实验验证

4.5 膜电位平衡破坏机制

4.5.1 电场对细胞膜电压的扰动

4.5.2 细胞内环境破坏

4.6 本章小结

5 中频低强度电场肿瘤治疗中肿瘤状态监测方法研究

5.1 引言

5.2 离体肿瘤细胞生存状态的电阻抗监测方法研究

5.2.1 肿瘤细胞增殖模型

5.2.2 肿瘤细胞死亡监测实验分析

5.3 颅内GBM肿瘤生存状态的电阻抗监测方法研究

5.3.1 肿瘤状态监测模型

5.3.2 有限元仿真研究

5.3.3 模拟实验

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表（录用）的主要论文目录

B. 作者在攻读学位期间负责或参研的主要科研项目

C. 作者在攻读学位期间申请的专利

D. 学位论文数据集

致谢