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。     

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.     

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,...     

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。     

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。     

微/纳秒脉冲电场靶向不同尺寸肿瘤细胞内外膜电穿孔效应研究

为深入研究细胞物理特性对微/纳秒脉冲电场诱导的电穿孔效应差异,以三种不同细胞大小及两种不同细胞核大小的肿瘤细胞为研究对象,基于其细胞几何特征建立1:1五层介电及电穿孔数值模型,并观察其在微/纳秒脉冲电场作用下细胞内外膜的荧光消散情况,对微/纳秒脉冲电场诱导细胞内外膜电穿孔效应进行对比分析,研究微/纳秒脉冲电场靶向作用于不同几何尺寸细胞的敏感性差异机理。结果表明,在90个脉冲宽度为100μs、电场强度为1.5kV/cm的微秒脉冲作用下,细胞尺寸越大,细胞外膜穿孔区域、孔密度和荧光消散程度也越大,即诱导的细胞膜电穿孔效果更强。在80个脉冲宽度为400ns、电场强度为15kV/cm的纳秒脉冲作用下,细胞核尺寸越大,其细胞核膜的穿孔区域、孔密度和荧光消散程度也越大,即诱导的细胞核膜电穿孔效果更强。因此,微/纳秒脉冲电场对肿瘤细胞的作用靶区及尺寸大小具有明显的选择性。该研究可为消融不同肿瘤所需的脉冲电场参数提供数据参考与理论支撑。     

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。     

基于网格传输网络模型的高频纳秒脉冲串作用下单细胞穿孔特性仿真

为研究高频纳秒脉冲串作用下细胞的穿孔特性,采用Matlab仿真软件对含核膜的典型二维单细胞空间区域进行离散,建立其网格传输网络模型,并对模型中的单元节点赋予电传输与孔传输双向耦合特性,以空间每个节点的电位及内外膜上每对节点不同孔半径下的孔密度为未知量,建立常微分方程组并进行求解。仿真模拟单细胞在电场强度为5k V/cm、脉宽250ns、上升沿30ns、仿真总时长为10s的10串高频纳秒脉冲作用下的电穿孔动态变化过程,并研究了串内脉冲个数及频率对内外膜穿孔规律的影响。结果表明:多脉冲作用时,穿孔数量基本不变,穿孔半径有一定的累积效应;重复脉冲串可以在一定程度上延缓孔数量衰减的幅度;增加串内脉冲个数可少量增加外膜孔数量,不会影响核膜孔数量;增加串内脉冲频率基本不会影响外膜孔数量,但可大幅度增加核膜孔数量。本文的仿真结果进一步丰富了脉冲电场作用于生物细胞的穿孔机制。     

基于有限元法的色散球形细胞在纳秒脉冲下的跨膜电位仿真

为研究频率色散效应对细胞跨膜电位的影响,采用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics建立球形细胞5层介电模型,分别从频域和时域角度研究纳秒脉冲作用时色散效应对细胞膜跨膜电位的影响规律。结果表明,引入色散效应后细胞膜跨膜电位在107 Hz开始显著大于未包含该效应的结果,且随着频率的增加二者差距不断增大;107 Hz时,引入色散效应的跨膜电位在细胞膜半圆弧长上几乎处处高于未包含该效应的结果;脉宽为600 ns和60ns的时域纳秒脉冲作用时,引入色散效应的跨膜电位在时间和空间分布上都高于未包含该效应的结果,且随着脉宽的降低,二者差距不断加大。研究结果从理论上证明了只有引入频率色散效应才能正确预测纳秒脉冲的生物电效应以及更好地制定治疗计划。     

Window effect of pulsed electric field on biological cells

Based on multilayer dielectric model, for the spherical biological cell subjected to pulsed electric field (PEF), an equivalent circuit model is presented. Frequency-domain analysis shows that inner and outer membranes exhibit band-pass and low-pass filter characteristics in response to PEF, respectively. Therefore, different biomedical effects will be induced by the field with different frequency spectrum. The method to calculate the transmembrane potentials induced by time-varying PEF is introduced, and the relationship between rectangular pulse and transmembrane potentials is also discussed. It is found that because of different charging time constants, different durations have selective effects on inner and outer membranes. The analyses in both the frequency-domain and time-domain show a window effect of PEF on biological cells. When duration is reduced from microsecond to submicrosecond, and to nanosecond, the target induced is changed from the outer membrane to the inner membrane gradually. The window effect gives preliminary explanation for various bioelectric effects such as electroporation, intracellular electromanipulation and nanopores, providing help to the applications of PEF in tumor treatment.     

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。     

基于模块化Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源设计

重频纳秒脉冲激励的大气压等离子体放电具有反应活性高等优点。设计了基于模块化雪崩三极管Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源。计算不同Marx模块的导通时延和输出波形的抖动,研究了磁心数量、位置和形状对于输出波形的影响。磁心电感越大、外径与内径之比越大,且位于传输线变压器第一级和最高一级时对脉冲叠加效率的提升作用越明显。提出直接叠加和传输线变压器两种脉冲叠加方式组合的方法,进一步提高输出电压。整体脉冲源可以在50~300Ω负载产生2~14k V,高阻负载产生4~25k V,前沿3.8ns,脉宽7~15ns,重复频率0~10k Hz的重频纳秒脉冲电压,装置结构紧凑,参数调节灵活,方便携带。     

变压器绕组轻微变形ns级脉冲响应分析法

ns级脉冲响应分析法能够瞬时测取变压器绕组全频段下的响应特性,为促进它的实际应用,采用波前为5ns、脉宽为50ns的脉冲电压波作为激励信号,通过提高采样频率和采样点数,分频段去噪以获取具有较高频谱上限和精度的脉冲响应曲线。针对频响法对变压器绕组的轻微变形不灵敏的缺点,对5kV温升变压器和500kV电力变压器的高压绕组进行了不同程度的模拟轻微变形实验,并将频响法和ns级脉冲响应分析法的检测结果作了对比。实验结果证明该方法比频响法测试速度更快,精度更高,测取的频谱上限可达数十MHz。具有较高的灵敏度和重复性,能有效检测各种变压器绕组的轻微形变。     

一种Tesla型的螺旋脉冲形成线设计

设计了一种基于Tesla型的结构紧凑的高电压周期性纳秒脉冲发生器方案,其中一段通过内置高耦合Tesla变压器充电的螺旋脉冲形成线的结构参数为:外筒半径20cm、螺旋线导体半径18cm、螺旋角60°。采用PIC软件模拟分析考虑螺旋线导体厚度时横电磁波的传输过程,并讨论了Tesla内磁芯的引入及内磁芯的大小对波传输的影响,引入半径7.5cm的内磁芯后,慢波系数变化不大(约2.6),输出脉冲平顶波动10%。模拟结果表明,从波传输的角度而言,这种结构的脉冲发生器方案是可实现的。     

重复控制器中Q（z）滤波器的设计与选择

为抑制高频未建模部分对重复控制器的负面影响,需要在重复控制器中加装低通滤波器,即Q（z）滤波器.围绕幅值裕度、相位裕度和增益等性能指标,对因果型有限脉冲响应滤波器、常数型滤波器和一阶滑动平均滤波器三种Q（z）滤波器进行比较分析,结果表明由一阶滑动平均滤波器所构成的Q（z）滤波器效果最好,仿真与相关实验验证了该结论.     

Apoptosis induction effects of steep pulsed electric fields (SPEF) on human liver cancer cell SMMC-7721 in vitro

To research the apoptosis effects of steep pulsed electric fields (SPEF) on human liver cancer cell SMMC-7721 in vitro, this paper studied Phosphatidylserine (PS) externalization detection utilizing flow cytometry, real-time change of mitochondrial transmembrane potential (Δ Ψ_m) using confocal laser scanning microscope (CLSM) and DNA fragmentation assay by agarose gel electrophoresis. The experiment results by flow cytometry showed that ?sSPEF (SPEF with electric field intensity of 200V/cm and duration of 1.3μs) effectively (P<0.05) induced PS externalization but nsSPEF (SPEF with electric field intensity of 600V/cm and duration of 100ns) did not (P>0.05). On the contrary, nsSPEF induced Δ Ψ_m decrease and DNA fragmentation more notably than μsSPEF. These results indicate that SPEF can distinctly induce apoptosis and the effects are electric field intensity/pulse duration-dependent. Theoretically calculation showed that temperature increase of cell solutions for treated groups exposed to SPEF was less than 1.3K without regard to heat dissipation. Multi-shelled dielectric cell model and frequency spectrum analysis showed that μsSPEF contained abundant low frequency components which mainly acted on plasma membrane, whereas nsSPEF contained plentiful high frequency components which permeated plasma membrane and mainly affected on intracellular organelle.     

PMSM基于模型辅助的LADRC控制研究

针对永磁同步电机负载突变和LADRC控制器带宽不变时，线性扩张状态观测器存在观测精度低、观测负担大的问题，设计了一种PMSM基于已知干扰的一阶A-LADRC速度控制策略，该控制策略的内外和外环控制器均采用设计的模型辅助一阶A-LADRC控制方法。仿真结果表明:设计的一阶A-LADRC相比于传统的一阶LADRC和PI控制，具有抗干扰能力强，二次稳态响应时间短及系统鲁棒性强等优点。