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。     

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。     

纳秒脉冲处理A375细胞裸鼠皮下移植瘤的疗效评估

ns脉冲电场可以诱发肿瘤细胞的结构和功能发生一系列变化,使其在临床肿瘤治疗中展现出巨大的应用前景。目前,受限于检测评估手段,相关动物实验研究尚不充分。将ns脉冲(电场强度20kV/cm、脉宽200ns、重复频率5Hz、2 000个脉冲)作用于A375裸鼠皮下移植瘤,采用荧光活体成像方法定量研究ns脉冲的抑瘤效果,同时用相机随访观察局部疤痕的转归情况。与对照组荧光增加相比,处理组荧光强度逐渐减弱(检验水准P<0.05),且在第2次处理后14d荧光完全消失;随着时间的推移,治疗区域局部疤痕逐渐变浅,并在第2次处理后22d完全消失。实验结果表明,ns脉冲可以实现局部肿瘤组织的完全切除,且能实现皮肤疤痕的有效转归。     

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。     

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。     

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。     

高强度皮秒脉冲电场诱导HeLa细胞生物电效应分析

为研究高强度ps脉冲电场(psPEF)诱导HeLa细胞的生物电效应,将脉冲电场参数组合(电场强度为250kV/cm,脉宽为800ps,脉冲个数为1 000、3 000、5 000,频率为3Hz)作用于人宫颈癌HeLa细胞。利用噻唑蓝(methyl thiazolyl tetrazolium,MTT)比色法检测ps脉冲对细胞的生长抑制情况;钙离子指示剂(Fluo-3/AM)探针标记细胞,激光共聚焦显微镜检测细胞内钙离子体积分数的改变;蛋白质印迹法检测促凋亡蛋白Bax与凋亡抑制蛋白Bcl-2释放水平的改变。实验发现:细胞死亡率与施加脉冲个数正相关,且处理后12h抑制率最高;激光扫描共聚焦半定量分析显示,处理组细胞荧光强度明显高于对照组(检验水准P<0.05);蛋白质印迹法检测结果表明,处理组细胞内Bax表达量增加(P<0.05),Bcl-2释放量略有降低。上述结果表明:高强度ps脉冲通过诱导细胞凋亡进而抑制了HeLa细胞的增殖。     

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。     

微秒脉冲电场场强参数的窗口效应

μs脉冲电场诱导细胞产生的可逆电穿孔效应和不可逆电穿孔效应已有一定研究,但其所诱导的细胞凋亡效应却往往被忽略,诱导凋亡效应的脉冲电场与产生可逆/不可逆电穿孔效应脉冲电场的剂量关系更是鲜有研究.为了解这些关系,以人宫颈痛细胞系Hela为实验对象,综合运用PI示踪穿孔、CCK-8法检测活性及流式细胞术测定凋亡3种实验手段,...     

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。     

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。     

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。     

脉冲电场对细胞作用的模型分析和实验研究

根据细胞结构及其电学参数提出了电阻电容电路模型模拟电场对细胞的作用,并利用该模型解释了实验研究中不同斜率的斜坡电场作用后,细胞死亡特性的差异现象。还利用该模型分析了特定斜率的斜坡电场对肿瘤细胞的选择性作用。结果表明由于亚性细胞其线粒体膜上的跨膜电压上升较正党细胞为快,而其细腻膜上的跨膜电压上升则较慢,说明这种选择性是存在的。     

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。     

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。