论文部分内容阅读
为了解决现有脉冲电场治疗肿瘤技术存在的问题，并且同时发挥微秒脉冲电场(μsPEF)直接快速杀伤作用和纳秒脉冲电场(nsPEF)的间接缓慢调控作用，本课题组创造性地提出了基于微秒脉冲调制高频纳秒脉冲电场诱导细胞内外膜穿孔的研究思路。但是针对这种新型脉冲形式还未有一套完整的、成熟的电穿孔特性规律作为理论支撑。因此，本课题的目标就是深入研究μsPEF与nsPEF对细胞外膜和细胞内膜协同穿孔的动态发展规律、高频重复 nsPEF对细胞外膜和细胞内膜累积穿孔的动态发展规律；深入研究不同脉冲参数对于穿孔特性的影响规律，从而为参数选择提供一定的理论依据。 综合国内、外各类电穿孔仿真研究方法后，本文采用网格传输网络(MTNM)这种比较适合“高频纳秒脉冲串”激励的仿真模型。此模型可通过直接的电穿孔仿真与间接的分子传输仿真分别研究穿孔规律。考虑到此类脉冲形式时间跨度较大，为研究方便，本文将脉冲串分为三段：单个脉冲作用期间、1个脉冲串以及多串脉冲。分别研究每个脉冲阶段下电穿孔及分子跨膜传输特性。论文的主要工作及成果如下： ①采用 MATLAB仿真软件对含核膜的单细胞空间区域进行离散，建立了其网格传输网络模型，并对模型中的单元节点赋予电传输与孔传输双向耦合特性，以空间每个节点的电位及内外膜上每对节点不同孔半径下的孔密度为未知量，建立常微分方程组并进行求解。分别从空间电位分布、跨膜电压曲线以及孔密度孔半径分布等角度，仿真分析了单个脉冲作用下细胞内外膜的穿孔特性，并重点研究了场强对穿孔规律的影响。研究表明：穿孔存在“过渡区域”，且过渡区域孔半径较大、孔密度较小；而正对电极区域孔密度较大，但孔半径较小。场强越高，穿孔出现越早，撤去脉冲后内、外膜孔数量也越多，但外膜增加的更明显。 ②在上述电穿孔模型基础上，进一步耦合分子传输模型，通过求解分子浓度空间分布和跨膜通量，仿真研究了单个脉冲作用下分子跨内、外膜传输特性，并重点研究了场强对穿孔规律的影响。研究表明：脉冲期间分子跨膜传输的速率远大于脉冲撤去后的速率。过渡区域存在着分子跨膜传输需要的最优孔密度、孔半径分布。提高场强可在一定程度上促进分子跨膜传输，但若进一步增加场强，并不会对跨膜传输产生较明显的促进作用。 ③基于单脉冲的研究，进一步研究了串内多个脉冲之间以及多串脉冲下的穿孔特性，并研究了串内脉冲个数及频率对内外膜穿孔规律的影响。研究表明：多脉冲作用时，穿孔数量基本不变，穿孔半径有一定的累积效应。重复脉冲串的作用是使穿孔规律呈现一定的周期性，即每一串脉冲的作用与上一串脉冲作用几乎相同。增加串内脉冲个数可少量增加外膜孔数量，不会影响核膜孔数量。增加串内脉冲频率基本不会影响外膜孔数量，但可大幅度增加核膜孔数量。 ④进一步仿真分析了串内多个脉冲之间以及多串脉冲下的电穿孔特性，以及串内脉冲个数及频率对分子跨膜传输规律的影响。研究表明：无论是连续多个脉冲，还是多个脉冲串，均可促进分子跨膜传输。对外膜而言，增加串内脉冲个数或者增加串内脉冲频率都可促进分子跨膜传输；对核膜而言，增加串内脉冲个数会微弱增加分子跨膜传输，而增加串内频率可大幅度提高分子跨膜传输效率。 ⑤借助已有的分子跨膜传输实验文献，利用本文仿真模型，选取与实验相同的脉冲激励，将仿真结果与实验数据进行了对比。结果表明，仿真与实验在定量角度上存在一定的误差，并对造成误差的原因进行了深入的分析。但从定性的角度上，二者可以说明同样的规律。从而在一定程度上验证了仿真模型的正确性。 综上所述，本文深入研究了高频纳秒脉冲串作用于单细胞电穿孔及分子跨膜传输特性，并给出了不同脉冲参数对电穿孔及分子传输特性的影响规律，为后续高频纳秒脉冲串治疗肿瘤的实验研究提供了一定的理论支持。