脉冲电场上升沿对细胞跨膜电位的影响分析

分析了电场生物效应实验和实用中脉冲电场上升沿的形成并基于经典球形单细胞模型推导出计及上升沿的脉冲电场所诱导的细胞跨膜电位的计算解析式。研究发现:脉冲电场上升沿与细胞跨膜电位峰值、波形密切相关,减少脉冲电场发生电路的电感来增大脉冲电场所诱导跨膜电位的峰值可提高电穿孔的效率。     

基于等效电路模型的细胞内外膜跨膜电位频率响应

提出一种适用于高频范围分析的细胞等效电路模型,给出了细胞内外膜跨膜电位的计算公式,对其频率响应进行仿真分析表明,细胞外膜跨膜电位频率响应可视为一阶低通滤波器,而内膜跨膜电位频率响应可视为一阶带通滤波器.应用指数衰减陡脉冲对人卵巢腺癌SKOV3细胞进行处理,实验结果和频谱分析表明,指数衰减陡脉冲的下降沿和上升沿分别包含了大量的低频和高频分量,分别作用于肿瘤细胞的外膜和内膜,从而对整个肿瘤细胞产生普遍的杀伤作用.     

细胞内外膜跨膜电位频率响应的仿真研究

为研究ns脉冲电场诱导细胞跨膜电位改变的效应,在提出一种球形单细胞内外膜跨膜电位频率响应模型后给出了细胞内外膜跨膜电位的仿真计算方法。通过对频率响应的仿真分析,发现外膜跨膜电位表现出一阶低通滤波器特性,而内膜跨膜电位表现出一阶带通滤波器特性。在内膜频率响应中心频率到上限截止频率的范围内,内膜跨膜电位大于外膜,同时能保持在较高水平,这将有利于诱导细胞内电处理效应。计算结果与实验结果相吻合,为ns脉冲电场治疗肿瘤的窗口参数合理选择提供了一定的理论依据。     

含电穿孔的细胞膜和核膜跨膜电位仿真

细胞膜和核膜跨膜电位的计算是实现电穿孔效应准确预测的关键所在。基于球形细胞全电路等效模型,引入介电参数阶跃模型来表征细胞膜的电穿孔效应,定量计算了包含细胞膜电穿孔效应的细胞膜和核膜跨膜电位的幅频特性。结果表明:频率大于104 Hz的脉冲电场作用时细胞膜的跨膜电位明显减小,尤其当频率大于108 Hz时,细胞膜的跨膜电位减小7 d B;频率小于106 Hz的脉冲电场作用时核膜的跨膜电位将显著增加,尤其当频率小于102 Hz时,核膜的跨膜电位增加高达19 d B。因此,当脉冲电场作用于生物细胞时,引入电穿孔效应才能准确揭示其跨膜电位的规律。     

基于有限元分析的球形单细胞及不规则真实细胞电穿孔动态过程仿真

为深入研究脉冲电场对细胞的作用机制,并进一步推广其在临床上的应用,基于有限元仿真软件建立了考虑胞内细胞器的单细胞五层介电模型,从2维和3维的角度研究分析了脉冲电场诱导细胞发生电穿孔的动态过程。同时,鉴于理论球形细胞与真实细胞结构的差异,建立不规则细胞介电模型,讨论分析脉冲电场作用于理论球形细胞与真实细胞电穿孔效应的差异。仿真结果表明:在1.5 k V/cm、10μs脉冲电场作用下,细胞膜上跨膜电位升高达到穿孔跨膜电位阈值(1 V)后发生穿孔,孔密度急增(达到1016数量级),电导率随着时间快速增加,从而进一步改变跨膜电位的分布,穿孔区域由正对电极的点逐渐往四周扩展,最终穿孔区域达到整个表面积的71.4%。而不规则细胞下的跨膜电位、电导率等分布较复杂,不再具有对称分布性,对于畸形度较大的细胞则必须考虑其形状的影响。仿真结果合理解释了脉冲作用下单细胞电穿孔的作用机制,为进一步分析复杂细胞系统提供理论依据,同时推进了脉冲电场的临床应用。     

脉冲电场诱导细胞内外膜电穿孔模型与跨膜电位的仿真

基于经典的球形单细胞3层介电模型,同时考虑细胞核对跨膜电位的影响,提出了更为合理和接近实际的球形单细胞的多层介电模型,给出了稳恒电场和任意时变脉冲电场作用下细胞膜和核膜跨膜电位的计算方法。仿真结果表明:当脉宽减小时核膜跨膜电位增加,而脉宽增大时细胞膜跨膜电位增强;当脉宽在100-500ns范围时能有效实现肿瘤细胞膜和核膜电穿孔,同时不影响正常细胞。计算结果与实验吻合得很好,为肿瘤的电化学疗法和基因疗法的临床应用提供了理论指导。     

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。     

含色散和电穿孔效应的球形细胞在纳秒脉冲下的生物电效应仿真

为准确研究纳秒脉冲(nanosecond pulses electric field,ns PEF)作用下细胞跨膜电位的分布规律,采用多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics建立球形细胞五层介电模型,同时引入色散(dispersion,DP)和电穿孔(electroporation,EP)效应来研究纳秒脉冲下的细胞生物电效应。结果表明,在电穿孔的基础上引入色散效应,使得细胞膜上点A1跨膜电位(trans-membranepotential,TMP)达到峰值的速度明显加快,核膜上点B1的跨膜电位在0～100ns区间明显增大;微孔密度、跨膜电位的时空变化结果表明,点A1首先在2ns左右发生电穿孔,随后点A2—A5依次发生电穿孔,最终细胞膜上至少2/3区域发生电穿孔。研究结果从理论上证明了只有同时引入色散和电穿孔效应才能正确预测纳秒脉冲的生物电效应。     

陡脉冲电场对肝癌细胞线粒体跨膜电位的影响

为研究陡脉冲电场的凋亡效应,以人肝癌细胞为实验对象,采用激光共聚焦扫描显微镜观察陡脉冲电场作用下细胞内线粒体跨膜电位的实时变化。实验结果表明,陡脉冲电场能使线粒体跨膜电位下降,较高的电压峰值、较窄的脉冲宽度(600 V/100 ns)比较低的电压峰值、较宽的脉冲宽度(200V/1.6μs)能使线粒体跨膜电位更快地下降,并且在停止施加陡脉冲电场后线粒体跨膜电位仍然在不断下降,进而有可能使线粒体跨膜电位崩溃,从而诱导肝癌细胞凋亡,为陡脉冲杀伤肿瘤细胞提供了理论依据。     

直流陡脉冲复合电场用于变压器油净化时其脉冲波形选择

为了探索电场净化变压器油的新方法,寻求一种净油效果更好的脉冲波形,首先对油中胶体杂质在电场作用下的受力情况进行了理论计算,然后采用超宽频时域介电与阻抗谱仪对现场不同老化程度变压器油的介电常数进行了实测,最后对方波脉冲和指数衰减脉冲等时变电场的频谱进行了理论分析。分析和实验发现,时变电场可以作用于溶油胶体使之和油分子更容易实现微观上的分离,并且只有宽频带的时变电场才可以广泛作用于不同胶体杂质而提高净油效果;指数衰减脉冲的幅频特性衰减缓慢,并且上升沿陡、脉宽较宽的指数衰减脉冲的低频、高频分量都很丰富,具有更宽的频带。通过以上理论分析和实测,确定了上升沿陡、脉宽较宽的双极性指数衰减脉冲是较理想的脉冲源波形,有望显著提高电场净化变压器油的效果。