纳秒脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡的内质网信号通路分析

ns脉冲电场在诱导肿瘤细胞凋亡方面展现出诱人的应用前景。由于ns脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡的机制尚未明确,严重阻碍了ns脉冲电场肿瘤治疗的临床进程。为进一步揭示其诱导凋亡的机制,将参数组合(电压幅值9kV,脉宽100ns,脉冲30个,频率1Hz)作用于人卵巢浆液性囊腺癌(SKOV3)细胞。首先检测了半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-12(cysteine aspartic acid specific protease-12,Caspase-12)蛋白的释放水平,其次用浓度分别为0、25、50、100μmol/L的钙螯合剂(BAPTA-AM)螯合细胞内的游离Ca2+,用Hoechst 33342荧光染色检测细胞凋亡率,最后采用蛋白质印迹(western blot)技术检测了Caspase-12蛋白释放的变化。试验结果表明:ns脉冲诱导SK-OV3凋亡时引起了细胞内Ca2+升高,从而介导内质网凋亡信号通路。该研究结果将进一步揭示ns脉冲诱导凋亡的机制。     

细胞骨架在ns脉冲诱导肿瘤细胞凋亡中的作用

为了研究细胞骨架在ns脉冲诱导肿瘤细胞凋亡中的作用,将脉冲电场参数组合(电场强度10kV/cm,脉宽500ns,脉冲30个,频率1Hz)作用于细胞骨架裂解的Hep-G2细胞。利用Annexin-V和碘化丙碇(propidium i-odide,PI)双染法检测细胞凋亡和坏死情况;采用荧光分光光度计观测线粒体跨膜电位和细胞膜穿孔的变化情况。试验发现:肌动蛋白裂解后脉冲处理组的细胞凋亡和坏死大大降低(与单独脉冲处理组相比检验水平P<0.05),早期细胞凋亡由(16.94±2.87)%下降到(4.77±1.87)%;晚期凋亡和坏死由(20.94±3.09)%下降到(14.38±2.60)%;脉冲处理组和肌动蛋白裂解后脉冲处理组的细胞线粒体跨膜电位都出现下降,但后者的线粒体跨膜电位却明显高于前者(P<0.05);单独脉冲处理组和细胞骨架缺失后脉冲处理组二者在相同时间点时其PI荧光强度无明显差异,且PI荧光随时间而变化的规律亦相似。上述结果表明:细胞骨架的缺失抑制了ns脉冲诱导细胞凋亡的线粒体通路,进而降低细胞凋亡水平,但对细胞膜的穿孔情况无明显影响。     

ns级陡脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的实验研究

为进一步研究ns级陡脉冲诱导细胞的凋亡效应,以人卵巢腺癌SKOV3细胞为对象,进行了电场强度为10 kV/cm、脉宽为100 ns的陡脉冲实验研究。结果表明,通过流式细胞术观测发现早期凋亡率约22%;通过AO/EB荧光染色检测显示,早期凋亡细胞表现为细胞体积缩小,胞膜完整,浓聚成颗粒状,位于细胞的一侧,胞质浓缩,呈黄绿色荧光;晚期凋亡细胞体积缩小,胞膜完整,细胞核呈橙红色或红色荧光;细胞坏死时,细胞体积增大,呈不均匀的橙红色荧光,轮廓不清,已解体或接近解体。医学统计学和形态学特征表明ns级陡脉冲能诱导SKOV3肿瘤细胞发生凋亡。     

ns脉冲电场发生器的研制及应用

为了研究ns脉冲电场诱导肿瘤细胞的凋亡效应,结合开关电源技术和脉冲功率技术,研制了一套多参数大范围独立可调的ns脉冲电场发生器。该发生器由高压直流电源、脉冲形成电路和辅助电路3部分组成,输出的脉冲幅值0～1.2kV内连续可调,重复频率1Hz～10kHz内连续可调,脉冲宽度分100、200、600和1000ns4级可调,脉冲个数可以任意预置,上升时间<30ns,并具有显示和保护功能。实验室调试和医学细胞实验结果表明,该发生器调节方便、性能稳定,能够有效诱导人肝癌细胞凋亡,为ns脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡的机理和阈值参数选择规律的深入研究奠定了基础。     

低强度纳秒脉冲电场联合多壁碳纳米管对人皮肤癌A375细胞的杀伤效果

为了探究低强度纳秒脉冲电场联合多壁碳纳米管对细胞的杀伤效果,在多壁碳纳米管毒性实验的基础上,分别采用CCK-8检测法和Annexin V/PI双染法研究引入多壁碳纳米管后不同幅值的纳秒脉冲电场对A375细胞活性、凋亡坏死率的影响。研究表明,当多壁碳纳米管质量浓度≤200mg/L时,其对细胞无毒性效应;只有当质量浓度≥300 mg/L时,其诱导的细胞毒性才具有剂量依赖性,即质量浓度越高,对细胞的毒性越强。固定频率为1 Hz、脉宽为300 ns、脉冲个数为100个时,凋亡率、坏死率随着场强的增加而增加,细胞活性随着场强的增加而减小。多壁碳纳米管的引入不影响上述变化规律,但是明显提高了对应的杀伤效果,可以在保持纳秒脉冲电场治疗肿瘤的优势前提下提高临床治疗中的电气安全性。     

纳秒脉冲电场治疗引起的肿瘤微环境变化有助于肿瘤消融

为了观察研究ns脉冲电场(ns PEFs)导致肿瘤微环境变化对肿瘤消融效果的影响,设计进行了细胞实验和动物实验。细胞实验是利用ns脉冲电场电击人肝癌细胞HCCLM3细胞,通过流式细胞仪和CCK-8法分别检测电击后肿瘤细胞的凋亡坏死和增殖抑制情况。动物实验是通过苏木精-伊红(HE)染色法观察实验组肿瘤内的炎性细胞浸润情况和肝脏血管管腔电击后的凝血栓塞情况。实验结果表明:当脉冲数n较小(n=6、12)时,细胞凋亡坏死较少;当脉冲数n加大(n=18、30)时,细胞凋亡坏死明显增加且24 h时间后的增殖率明显降低;电击处理大鼠肝脏后发现电场作用范围内的血管出现广泛凝血栓塞;实验组裸鼠肿瘤体积逐渐缩小成疤痕状,肿瘤内出现大片坏死伴弥漫炎性细胞浸润。可得结论:ns脉冲电场对皮下肿瘤消融过程中主要引起3个方面的微环境变化从而有助于对局部肿瘤的控制,包括电场本身引起的部分肿瘤细胞即时坏死凋亡、肿瘤供血血管栓塞导致的继发性肿瘤缺血坏死、富集的炎性细胞引起的肿瘤自我消亡。     

ns脉冲电场诱导裸小鼠皮下人黑色素移植瘤凋亡

为研究ns脉冲电场对在体肿瘤的诱导凋亡效应,以接种人黑色素瘤细胞A375的BALB/c裸小鼠为对象,采用电场强度20kV/cm、脉冲宽度300ns的脉冲电场处理后,抑瘤效应宏观观察到肿瘤组织的生长受到显著抑制(P<0.01),透射电子显微镜观察到典型的凋亡细胞超微结构形态,免疫荧光染色法定性检测到caspase-3蛋白表达明显增强,用RT-PCR方法定量检测到caspase-3 mRNA表达明显增强(P<0.01)。实验结果证实了ns脉冲电场能有效抑制在体肿瘤组织生长,机制在于其通过活化肿瘤细胞caspase-3蛋白酶而诱导肿瘤细胞调亡,为ns脉冲电场治疗肿瘤提供了依据。     

高频纳秒脉冲串对皮肤癌细胞的杀伤效果实验研究

为了克服目前脉冲电场治疗肿瘤所存在的不足,研究了高频ns脉冲串对人体黑色素瘤细胞A375即皮肤癌细胞的杀伤效应,通过改变电场强度、脉冲宽度、脉冲串内重复频率、脉冲串内脉冲个数等参数,分析了不同参数的高频ns脉冲串作用时细胞凋亡率和细胞坏死率的规律。研究结果表明：细胞坏死率随着脉冲串内重复频率的升高而增加,细胞凋亡率则是随着脉冲串内重复频率的升高而降低,因而在借鉴调制技术时,脉冲串内重复频率不宜太高;脉冲串内高电平持续时间相同时,脉冲宽度较大的脉冲所引起的细胞凋亡率和细胞坏死率比脉冲宽度较小的脉冲高,并且其细胞凋亡率之差随着电场强度的增加而减小,细胞坏死率之差随着电场强度的增加而呈现先增大后减小的趋势,因此在电场强度较高时,为了更好地平衡ns效应和μs效应,可以适当降低脉冲宽度并同时增加脉冲串内脉冲个数;另外,细胞悬液阻抗比可以作为反映细胞坏死率的参数,细胞坏死率与细胞悬液阻抗比降低率成正比。这些研究结果为后续高频ns脉冲串的类似应用提供了参考。     

ns脉冲诱导细胞内电处理机理的研究进展

脉宽为ns级、场强≥10 kV/cm的脉冲电场能够对细胞内部结构产生影响而不会导致细胞外膜穿孔,即细胞内电处理效应。尽管细胞内电处理效应的机理目前还不是很清楚,但国内外学者一致认为细胞内电处理的根本原因是ns脉冲电场在细胞内膜上诱导出的跨膜电位超过了穿孔临界值,从而导致内膜穿孔。基于以上研究详细介绍了目前关于细胞内外膜跨膜电位的计算模型、方法及仿真计算结果,探讨了细胞内电处理的机理。宽脉冲电场难以透过外膜进入细胞内部,主要作用在外膜上,导致外膜发生电穿孔。随着脉冲宽度变小,电场对内膜作用增强。当脉宽减小到ns级时,脉冲电场感应出的内膜跨膜电位比外膜大,电场主要作用于膜内细胞器,诱导内膜穿孔,细胞结构和功能改变,即进行细胞内电处理。