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。     

实际指数脉冲电场对细胞跨膜电位的影响

为了进一步增大细胞跨膜电位峰值,提高脉冲电场电穿孔效率,基于相关文献中球形单细胞多层介电模型的细胞跨膜电位计算方法,分析了实际RC指数衰减脉冲上升沿时间对细胞跨膜电位的影响。通过Matlab软件对细胞跨膜电位的传递函数频率响应进行了仿真分析,结果表明:不同频段的电场对细胞跨膜电位的影响不同。建立了一种改进的RC指数衰减脉冲模型,并进行了仿真计算,结果表明:脉冲电场上升沿时间对细胞跨膜电位有很大影响:上升沿时间越小,频率响应就越高,减小上升沿时间可以提高细胞跨膜电位峰值。仿真结论对改进脉冲电场发生电路的结构和参数设计,以增大细胞跨膜电位峰值并提高电穿孔效率提供了理论依据。     

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。     

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.     

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。     

纳秒脉冲作用下核孔复合体影响细胞核膜电穿孔变化的仿真研究

纳秒脉冲电场能够透过细胞膜,靶向作用到细胞核膜产生电穿孔,从而诱导细胞死亡.而细胞核膜上存在的大量具有高电导率的核孔复合体(NPC)将会制约细胞核膜上电穿孔的发展.然而,现有纳秒脉冲电穿孔的仿真研究中尚未考虑此因素的影响.基于此,该文建立考虑细胞核上NPC存在的五层细胞介电模型,在细胞核膜不同区域等距离设置8个核孔进行...     

基于场-路复合模型的细胞内外膜跨膜电位时频特性

为研究脉冲电场的生物医学效应机理,基于多层介质电场模型建立了球形单细胞的场-路复合模型,提出了内外膜跨膜电位与外加电场之间传递函数的计算方法,分别分析了脉冲电场作用下内外膜跨膜电位的时域特性与频率特性.时域分析表明,不同的脉宽导致外加电场对内外膜具有不同的选择性作用.频域分析表明,细胞内外膜分别具有带通和低通滤波性能,...     

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。     

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。     

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.     

纳秒脉冲电场联合多壁碳纳米管对皮肤癌细胞活性的剂量效应研究

为了研究多壁碳纳米管(MWCNTs)联合纳秒脉冲电场(nsPEF)影响离体细胞活性的剂量效应,采用CCK-8检测法对比分析皮肤癌A375细胞活性随电场强度E、脉宽t、脉冲个数N等单因素的变化规律。研究表明,细胞活性随电场强度和脉宽的变化具有阈值效应(S形变化),而随脉冲个数的变化无明显的阈值效应(指数型变化)。细胞活性随脉冲注入能量E(tN)~(0.5)的增加呈现S形下降。基于logistic模型利用一元非线性回归分析方法分别拟合得到细胞活性与三个脉冲参数间的函数关系。同时,建立细胞活性与多因素之间的归一化关系。结果表明,MWCNTs的加入不影响细胞活性与脉冲参数间的变化规律,但却明显降低了nsPEF杀伤肿瘤细胞所需要的幅值,从而可以有效提高nsPEF在肿瘤治疗中的电气安全性。     

重频纳秒脉冲下有机玻璃电树枝老化特性的实验研究

介绍了高聚物绝缘材料中电树枝老化的现象、影响因素及研究现状。进行了重频(~300Hz)纳秒脉冲(半高宽70ns)下有机玻璃电树枝老化特性的试验研究。实验施加负电压。主要研究了在不同频率下、不同电场强度条件下有机玻璃中电树枝生长速度和生长形态。实验发现重频脉冲下在有机玻璃上施加电压越高,电树枝增长速度越快;电树枝的初始生长速度随着频率升高而变快;电树发展普遍存在滞胀期;频率高后,丛林状电树产生的概率增加;实验中还发现有的试样高频下针尖附近出现裂纹,然后生长出树枝。     

基于微带传输线的生物溶液处理用纳秒脉冲电场发生器研制

研究纳秒脉冲电场生物学效应需要相应的高压纳秒脉冲发生器。为此,基于微带传输线与固态开关技术,通过波传播过程分析阐释了Blumlein型微带传输线方波的形成原理;采用CST微波实验室仿真分析了微带传输线充电过程中的电场分布;制作了小型化的纳秒脉冲发生器样机,并搭建测试系统对其进行了性能测试。结果表明,在电转杯负载端得到的纳秒脉冲电压幅值在0~2 k V内可调(即对间隙距离为1 mm的电转杯负载,电场强度在0~20 k V/cm内可调),脉宽为100 ns,上升沿约为20 ns,重复频率在0~1 k Hz内可调。     

低强度纳秒脉冲电场联合靶向金纳米棒对A375黑色素瘤细胞的杀伤效果研究

为了改善纳秒脉冲电场(nsPEFs)在治疗肿瘤过程中存在的电气安全性问题,该文首次研究低强度nsPEFs联合叶酸修饰的金纳米棒对A375黑色素瘤细胞杀伤效果的影响。首先对聚乙二醇-金纳米棒(GNR-PEG)的表面进行叶酸(FA)的修饰,从而实现对A375黑色素瘤细胞的靶向作用;然后用暗场显微镜观察其结合效果。该文在确定了GNR-PEG和GNR-PEG-FA安全质量分数后,通过改变电场强度(2～8kV/cm)和脉冲个数(15～260个)来研究该联合方法对细胞活性和凋亡的影响。结果发现,GNR-PEG-FA与低强度nsPEFs联合显示出最佳的抗肿瘤效果,在较低的电场强度和较少的脉冲个数作用下,实现了更低比例的细胞的活性和更高比例的细胞凋亡。该联合方法增强了nsPEFs对A375黑色素瘤细胞杀伤效果,改善了nsPEFs治疗中的电气安全性问题。     

裸鼠皮下人恶性黑色素瘤在纳秒脉冲电场下的凋亡机制

为研究ns脉冲电场(nsPEF)治疗在体肿瘤的生物电效应机制,以接种人黑色素瘤细胞A375的BALB/c裸鼠为研究对象,采用电压幅值为4kV、脉冲宽度为200ns、重复频率为1Hz的脉冲电场进行处理。用凝胶电泳法检测脉冲处理后的DNA Ladder分布情况表明,与对照组相比,处理组有明显阶梯状分布,即细胞发生凋亡。用TUNEL法检测肿瘤组织的凋亡情况表明,处理组表现出较高凋亡率(检验水准P<0.01)。用Western blot法和免疫组织化学方法检测脉冲处理后肿瘤组织中促凋亡蛋白Bax、凋亡抑制蛋白Bcl-2的表达量情况,2者共同表明,与对照组相比,处理组Bax表达量显著升高(P<0.01),而Bcl-2表达量明显降低(P<0.01)。实验结果揭示nsPEF通过Bax、Bcl-2基因调控作用来诱导肿瘤凋亡。     

纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的仿真计算

为了深入探究纳秒脉冲电源作用下沿面介质阻挡放电等离子体特性参数的演化规律,揭示其作用机理,文中搭建了纳秒脉冲电源作用下非对称结构沿面介质阻挡放电等离子体光电特性实验测量平台,并在此基础上建立了放电集总参数等效电路模型,通过对比实验推理和仿真计算分别得到的放电电流以及电子密度参量,证明了模型的有效性。文中通过该模型计算得到了介质表面电压、气隙电压以及电子温度等等离子体特性参数随时间的变化关系,并进一步研究了电源斜率对大气压沿面介质阻挡放电电流的影响。得到的主要结论为:单极性纳秒脉冲电源作用下,在脉冲上升沿存在二次放电,在下降沿存在反向放电过程,电子温度与电子密度高达8.3 e V和2.7×10~(18)m~(-3),电源斜率对放电有重要的影响,随着电压上升率增加,第1次放电的电流增大。放电时刻提前,但是对应的第2次放电电流略有减小,下降率的增加则对应着第2次放电电流幅值的增加,第1次放电的电流则略有减小,研究结果为深入分析激励器放电特性,提高等离子体发生器效率提供参考。     

基于网格传输网络模型的纳秒脉冲作用下单细胞电穿孔规律仿真研究

为研究ns脉冲电场杀伤肿瘤细胞的作用机理,采用MATLAB仿真软件对含细胞核膜的典型单细胞空间区域进行了离散,建立了其网格传输网络模型,分别从空间电位分布、跨膜电压曲线以及孔数密度、孔半径分布等角度,仿真模拟了单细胞在电场强度为0.5 MV/m、脉冲宽度为250 ns、上升沿为30 ns、仿真总时长为1μs的ns脉冲作用下的电穿孔动态变化过程。仿真研究结果表明：无论是细胞膜还是细胞核膜,电穿孔都存在＂负极性效应＂,即总是负极正对膜位置先出现电穿孔;细胞膜电穿孔存在较明显的＂过渡区域＂,且过渡区域孔半径较大,孔数密度较小;细胞膜电穿孔比细胞核膜更加容易。该仿真研究结果丰富了脉冲电场用应于治疗肿瘤领域的电穿孔机理,为进一步研究高频ns脉冲串的电穿孔机理提供了仿真思路。     

脉冲参数对激活动作电位强度阈值影响的仿真研究

电刺激激活神经元动作电位的最小刺激强度(强度阈值)与所施加脉冲的参数有关.然而,目前学者大多关注于刺激脉宽对强度阈值的影响,而频率作为重要刺激参数,其对强度阈值的影响鲜有报道.为此,基于HH模型和电缆模型,建立神经元动作电位传输模型,在初步探索电脉冲刺激激活神经元动作电位阈值效应的基础上,系统探讨脉冲宽度、频率对该强度...