納秒脈沖誘導(dǎo)腫瘤凋亡的作用機理及亞納秒脈沖無創(chuàng)聚焦機制的研究.pdf

1、近年來,脈沖電場對細胞結(jié)構(gòu)和功能的影響與對生物體的治療作用逐漸成為生物電磁技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點,其中納秒脈沖電場獨特的靶向誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡的生物電效應(yīng)更是引起了細胞生物學(xué)家的極大興趣。脈沖電場誘導(dǎo)腫瘤凋亡用于臨床腫瘤治療時兼具靶向選擇和凋亡微創(chuàng)兩大獨特優(yōu)勢,能大大降低對周圍正常組織的損傷;此外,亞納秒脈沖獨特的超寬帶特性在無創(chuàng)聚焦治療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。因此,研究納秒脈沖誘導(dǎo)腫瘤凋亡的作用機理和亞納秒脈沖無創(chuàng)聚焦的機制,對于推進腫瘤臨

2、床治療有著特別重要的意義。
　　然而,欲實現(xiàn)納秒/亞納秒脈沖電場的臨床應(yīng)用,必須明確納秒脈沖誘導(dǎo)腫瘤凋亡的作用機理,同時需要揭示亞納秒脈沖無創(chuàng)聚焦的機制。為此,本文在國家自然科學(xué)基金重點項目(批準號:50637020)、國家自然科學(xué)面上項目(批準號:50877083)和教育部博士點基金(批準號:20100191110019)的支持下,深入研究納秒脈沖電場誘導(dǎo)腫瘤凋亡的作用機理和亞納秒脈沖電場無創(chuàng)聚焦的機制。取得的主要成果有:

3、>　?、俳⒘饲蛐螁渭毎娐返刃Ｐ?并成功引入細胞各結(jié)構(gòu)組分介電參數(shù)的頻率色散效應(yīng)和細胞膜的電穿孔效應(yīng),對納秒/亞納秒脈沖電場作用下細胞膜及核膜的跨膜電位進行了定量計算,從而揭示了脈沖電場的靶向效應(yīng)。
　?、诨趥鹘y(tǒng)的Marx發(fā)生器技術(shù),結(jié)合高壓大功率電力電子開關(guān)技術(shù)和測控技術(shù),研制出一套基于 FPGA控制的納秒脈沖治療裝置,該脈沖治療裝置具有快上升沿(~35 ns)、高強度(0~8 kV)、脈寬動態(tài)可變(200~1000 n

4、s)、重復(fù)頻率連續(xù)可調(diào)(1~1000 Hz)等特點;此外,基于傳統(tǒng)納秒脈沖產(chǎn)生的基本原理,通過前沿陡化和尾部削切,研制出一套輸出幅值高達100 kV、前沿600 ps、脈寬800 ps的高壓亞納秒脈沖治療裝置。
　?、垡匀寺殉舶┘毎?SKOV3為實驗對象,揭示了納秒脈沖脈寬參數(shù)與細胞凋亡之間的窗口效應(yīng)機理;選擇優(yōu)化參數(shù)處理細胞,揭示了納秒脈沖誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡的內(nèi)源性和外源性通路機制;選擇黑色素瘤作為納秒脈沖治療腫瘤技術(shù)的適應(yīng)癥,通

5、過活體熒光成像、抑瘤效應(yīng)觀察、相機隨訪等手段,證實納秒脈沖可以實現(xiàn)局部瘤體的完全切除,并且治療區(qū)域的疤痕能夠迅速轉(zhuǎn)歸;采用DNA Ladder檢測、Western blot和免疫組化檢測Bax及Bcl-2的表達、免疫組化法檢測MVD、VEGF及 PCNA蛋白的表達,進一步揭示納秒脈沖治療在體腫瘤時存在凋亡誘導(dǎo)和血管增生抑制兩大效應(yīng)。
　?、軜?gòu)建簡易乳房組織模型,系統(tǒng)研究亞納秒脈沖在乳房組織中的傳播規(guī)律及聚焦特性;然后引入數(shù)字化人體

6、大腦模型,研究亞納秒脈沖在復(fù)雜生物組織中的聚焦特性。研究表明,亞納秒脈沖電場匹配 IRA能夠?qū)崿F(xiàn)在低電導(dǎo)率、高介電常數(shù)生物組織中的良好聚焦;通過引入錐形天線及損耗介質(zhì)透鏡,亦可實現(xiàn)其在近似實際(s=0.5 S/m, e=9)乳房組織中的良好聚焦;同時,引入?yún)?shù)優(yōu)化的損耗介質(zhì)透鏡,亞納秒脈沖電場匹配IRA能夠?qū)崿F(xiàn)在深部(7-8 cm)腦組織中的良好聚焦。
　　綜上所述,論文引入頻率色散效應(yīng)和電穿孔效應(yīng)研究了納秒/亞納秒脈沖電場生物電