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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高频双极性脉冲诱导SKOV–3细胞生物电效应的实验研究

不可逆电穿孔技术以其非热、微创的独特优势而广泛应用于肿瘤治疗领域,但在治疗过程中会出现消融不彻底与肌肉收缩这2个问题;高频双极性脉冲作为新式脉冲形式可在肿瘤组织中产生均匀电场来解决肌肉收缩难题,同时与传统脉冲相比能有效缓解肌肉收缩。为此,以SKOV–3细胞为研究对象,采用CCK–8检测细胞活性,采用JC–1荧光探针分子观察线粒体膜电位变化,采用免疫组化技术检测凋亡蛋白表达。研究发现：传统单极性脉冲对肿瘤细胞的杀伤机理主要是对细胞膜的不可逆破坏,继而导致细胞坏死;ns高频双极性脉冲虽然与传统脉冲具有相同的电场强度与高电平时间,但却不能有效杀死肿瘤细胞;而μs高频双极性脉冲不仅能有效诱导细胞坏死,而且通过活性检测发现也可能诱导细胞凋亡;进一步研究发现,μs高频双极性脉冲能作用于线粒体使线粒体膜电位崩溃;同时也检测出BAX、BCL–2、Caspase–3和Caspase–9凋亡蛋白的表达。该研究结果表明μs高频双极性脉冲不仅可诱导细胞坏死,而且可启动线粒体凋亡程序来杀死细胞。     

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。     

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。     

基于现场可编程门阵列的全固态高压ns脉冲发生器

为研究ns脉冲电场诱导肿瘤细胞的凋亡效应,结合Marx发生器原理和全固态开关技术,研制了一套基于现场可编程门阵列(FPGA)的多参数可调全固态高压ns脉冲发生器。该发生器主要包括高压直流电源、Marx电路、FPGA控制电路和负载4部分。Marx电路采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为控制开关代替传统的火花间隙开关,用二极管代替电阻。FPGA产生多路同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后可作为MOSFET的原始控制信号,同步驱动多个MOSFET。FPGA控制电路控制充电电压和输出脉冲的宽度、频率,并具有保护功能。实验结果表明,该脉冲发生器可产生幅值(0～8kV)连续可调、脉宽(200～1 000ns)灵活可变、频率(1～1 000Hz)独立可控,前沿35ns的高压ns脉冲,为进一步探索ns脉冲电场生物医学效应奠定了基础。     

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。     

细胞内电处理用ns脉冲发生器研究进展

为了便于全面了解目前细胞内电处理实验研究的方法和具体实施方案,综述了国内外用于细胞内电处理实验研究的ns脉冲发生器。从电容器充放电和传输线理论2方面介绍了这些发生器产生ns级、高强脉冲电场的工作原理;分析了用于细胞内电处理的ns脉冲发生器性能特点、发生器的电路结构、元器件选择和技术指标等。实验结果表明,这些发生器产生的ns脉冲电场能诱导细胞内电处理效应。对今后的研究工作进行了讨论和展望。     

Pulse generators for pulsed electric field exposure of biological cells and tissues

This paper describes three pulse generators: a spark gap switched coaxial cable, a spark gap switched Blumlein, and a solid state modulator, developed for applying ultrashort electrical pulses to biological materials in culture. Research has shown that ultrashort pulsed electric fields can induce apoptosis in biological cells, and that pulses as short as 10 ns with field amplitude greater than 1 W/m cause membrane phospholipid rearrangement and activation of the effector enzymes of apoptosis. Pulses of very short duration use only tens of mJ per mL per pulse to induce apoptosis and other intracellular effects without causing thermal trauma. The pulse generators discussed here, each of a different topology, deliver ns pulsed electric fields (nsPEF) to cells in liquid suspension, and can be modified to drive electrodes for external, surgical, or endoscopic treatment of tissues in situ.     

陡脉冲不可逆性电击穿治疗肿瘤的研究

为寻求更为有效的肿瘤治疗策略,通过对陡脉冲治疗肿瘤的电穿孔效应和内处理效应的国内外研究现状的分析,提出了陡脉冲不可逆性电击穿效应调控肿瘤细胞死亡和凋亡的创新思路。实验中肉眼和组织学、超微结构的观察首次证实陡脉冲能有效地杀伤肿瘤细胞,明显抑制了肿瘤的生长、增殖,延长了的生存期。基于重庆大学的最新研究提出了不同窗口参数的陡脉冲具有不同的生物电效应的设想,总结了利用陡脉冲不可逆性电击穿效应治疗肿瘤的新方法及目前的研究进展并提出了该技术走向临床需重点研究的内容及关键技术。     

Effects of nanosecond pulsed electric field exposure on arabidopsis thaliana

Seven days old seedlings of Arabidopsis thaliana, suspended in a 0.4 S/m buffer solution were exposed to nanosecond pulsed electric fields (nsPEF) with a duration of 10 ns, 25 ns and 100 ns. The electric field was varied from 5 kV/cm up to 50 kV/cm. The specific treatment energy ranged between 100 J/kg and 10 kJ/kg. Due to electroporation of the plasmamembrane of the plant cells, the seedlings completely died off, when 100 ns pulses and high electric field pulses were applied. But even at the highest specific treatment energies, 10 ns pulses had no lethal effect on the seedlings. An evaluation of the leaf area 5 and 7 days after pulsed electric field treatment revealed values twice the area of sham treated seedlings up to a specific treatment energy of 4 kJ/kg, when the applied field amplitude was low or the pulse duration 10 ns. A growth stimulating effect after short pulse exposition clearly could be detected. Contrary to the growth inhibiting effect of plasmamembrane electroporation on the seedlings, a growth stimulation by nsPEF treatment does not scale with the treatment energy within the applied parameter range.