纳秒级脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡的窗口效应

ns级脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡用于肿瘤病变的治疗,展现出令人振奋的临床应用前景。由于ns级脉冲电场诱导的凋亡率高低与场强-脉宽等参数存在一定的选择性,使得目前脉冲参数的选择存在较大的盲目性。为寻求诱导肿瘤细胞有效凋亡的ns级脉冲电场参数,将不同参数组合(电压幅值9 kV,脉宽分别为1、50、100与200 ns,脉冲个数分别为10、30、60与80,频率1 Hz)的ns级脉冲电场作用于SKOV3细胞。利用AnnexinV/PI双染法检测细胞早期凋亡率和坏死率,DNA ladder凝胶电泳实验检测细胞晚期凋亡情况,AnnexinV/PI双染法以及DNA ladder凝胶电泳实验表明:细胞的早期凋亡率同施加的脉冲电场参数存在窗口效应,且脉冲参数为100 ns、30个脉冲时可得到最大的凋亡率与坏死率差值。     

陡脉冲致肿瘤不可逆性电击穿的场强阈值研究

为了明确陡脉冲电场致在体肿瘤细胞不可逆性电击穿的电场强度阈值,以新西兰大白兔肝脏VX2肿瘤组织为研究对象,建立了陡脉冲在均匀介质中的有限元模型;采用电场仿真和荷瘤动物实验相结合的方法,用不同电压峰值的陡脉冲电场分别处理荷瘤组织,并用经病理切片描绘得出的电场杀伤覆盖范围同理论仿真模型相互验证,以求得陡脉冲电场在肿瘤组织中的分布,进而求出其电场强度阈值。结果表明:理论仿真与动物实验相互吻合;根据肿瘤组织的坏死轮廓和仿真结果初步判定陡脉冲电场致在体兔肝VX2肿瘤组织不可逆性电击穿的电场强度阈值为838±46 V/cm。本研究为治疗参数的恰当选择提供参考,只要电场覆盖范围内肿瘤区域的最小电场强度略大于肿瘤细胞不可逆性电击穿阈值,即可使肿瘤组织得到有效杀伤而正常组织受到最小损伤。     

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。     

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。     

脉冲电场对细胞杀伤效果及其原理的研究

使用两种不同上升沿的脉冲电场(1μs和100 ns)电击悬浮HL-60细胞,观察脉冲强度、数目、电击后恢复时间等参数的变化对细胞死亡率和细胞形态的影响.实验表明,脉冲强度、数目的增加导致死亡率也增加.电击后,100 ns脉冲作用的细胞的死亡率比1μs的增加得更快.本文还进一步讨论不同上升沿电场在作用机理上的差异.     

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。     

脉冲电场与生物医药技术的交叉及其对肿瘤治疗模式的改变

生命现象与电密切相关。脉冲电场的生物效应促进了生命科学与电气工程技术的交叉融合,使得高功率脉冲技术在生物医药领域形成了快速发展的边缘交叉学科,在医学、农业、给药系统、细胞生物工程上应用广泛。为此,就非热电场灭菌、脉冲电场活化血小板、电化学药物治疗、电转染治疗心肌缺血、脉冲电场消融肿瘤等研究,结合电工和生物新原理、新理论、新技术、新材料,介绍、分析了脉冲电场技术在生物医药应用中的最新进展。主要结论包括:μs脉冲电场对电化学治疗、不可逆电穿孔有重要作用;ns脉冲电场不联合化疗药物而单独使用就可以达到肿瘤消融的目的;脉冲电场消融对外科手术禁区或射频消融不能达到的位置有特殊帮助;改进肿瘤适形电极设计才能进一步提高肿瘤消融效果;目前电脉冲消融肿瘤还需要多中心大规模前瞻性临床试验来验证其长期疗效。提出脉冲电场生物医药领域应用具有广阔的发展前景。     

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。     

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。     

Use of a Thermocouple for Malignant Tumor Detection

The aim of this study was to investigate whether the temperature difference between a malignant (or benign) tumor and the armpit (AT) could be used as a criterion in the diagnosis of the tumor malignancy. In our study, we measured the temperature of tumors beneath the skin with a needle thermocouple, which causes minimal discomfort or pain to the patients. In principle, the temperature of a tumor should be compared with the temperature of normal tissue surrounding the tumor. To avoid these disadvantages, we compared tumor temperature with armpit temperature as it is relatively stable and is easily measured. Thermography has been extensively used as a cancer detection tool but has not been accepted for routine application.     

细胞膜电穿孔及其肿瘤治疗的研究

电穿孔是在脉冲电场作用下细胞膜暂时出现微孔的物理过程 ,其结果是细胞内外分子交换显著增加 ,有利于细胞吸收各种药物、基因物质、蛋白质和其它大分子等。电场取消后微孔关闭而不会对细胞造成任何影响。电穿孔对于研究脉冲电场作用下细胞的结构和功能有重大意义 ,这种瞬时可逆的膜渗透性增强大大促进了化疗药物的跨膜运送 ,有效地提高了其杀伤力 ,为肿瘤的综合治疗提供了一种新思路     

肿瘤治疗用陡脉冲磁场发生器的研制

为研究应用陡脉冲磁场治疗肿瘤,结合脉冲功率技术和现代电力电子控制技术研制了一套双指数衰减陡脉冲磁场发生器。在概述陡脉冲磁场发生器的基本原理的基础上,详细阐述了其两个主要组成部分陡脉冲形成电路和单匝Helmholtz线圈的具体设计要点和关键研制技术,其磁场磁感应强度幅值(0～1mT)、脉宽(160ns～55μs)、重复频率(1Hz～1kHz)大范围独立可调,通过选用快速开关器件、减小回路电感等措施提高陡度(上升时间为70～220ns),通过合理设计Helmholtz线圈结构与尺寸增大磁场均匀区域,该发生器的研制为陡脉冲磁场治疗肿瘤的进一步实验和机理研究奠定了基础。     

重离子肿瘤治疗专用装置电源系统

兰州重离子治疗专用装置(HIMM)电源系统主要为HIMM专用加速器的各种磁铁励磁及非磁设备供电,提供所需的励磁电流和高电压,产生符合要求的磁场和电场。简单介绍了HIMM电源系统要求、设计、关键技术。     

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。     

陡脉冲不可逆性电击穿恶性肿瘤细胞的研究

采用作者研制的陡脉冲治疗装置,以人卵巢腺癌SKOV3细胞为实验研究对象,通过倒置相差显微镜实时观察细胞形态在陡脉冲电场作用下的动态变化过程,用扫描电镜观察细胞膜表面的变化情况,并用透射电镜观察细胞超微结构的改变。研究发现,陡脉冲作用后的细胞发生明显肿胀,细胞核固缩;扫描电镜观察结果显示出细胞膜出现孔洞并发生破裂,细胞质外喷;透射电镜观察结果发现核肿胀,核膜不完整,胞质内细胞器结构模糊,微绒毛肿胀,胞浆、线粒体肿胀、空泡化,细胞膜多处断裂。这表明陡脉冲能使恶性肿瘤细胞发生不可逆性电击穿并导致其死亡。