基于網格傳輸網絡模型的高頻納秒脈沖串單細胞穿孔特性仿真.pdf

1、為了解決現(xiàn)有脈沖電場治療腫瘤技術存在的問題，并且同時發(fā)揮微秒脈沖電場(μsPEF)直接快速殺傷作用和納秒脈沖電場(nsPEF)的間接緩慢調控作用，本課題組創(chuàng)造性地提出了基于微秒脈沖調制高頻納秒脈沖電場誘導細胞內外膜穿孔的研究思路。但是針對這種新型脈沖形式還未有一套完整的、成熟的電穿孔特性規(guī)律作為理論支撐。因此，本課題的目標就是深入研究μsPEF與nsPEF對細胞外膜和細胞內膜協(xié)同穿孔的動態(tài)發(fā)展規(guī)律、高頻重復 nsPEF對細胞外膜和細胞內

2、膜累積穿孔的動態(tài)發(fā)展規(guī)律；深入研究不同脈沖參數(shù)對于穿孔特性的影響規(guī)律，從而為參數(shù)選擇提供一定的理論依據。
　　綜合國內、外各類電穿孔仿真研究方法后，本文采用網格傳輸網絡(MTNM)這種比較適合“高頻納秒脈沖串”激勵的仿真模型。此模型可通過直接的電穿孔仿真與間接的分子傳輸仿真分別研究穿孔規(guī)律。考慮到此類脈沖形式時間跨度較大，為研究方便，本文將脈沖串分為三段：單個脈沖作用期間、1個脈沖串以及多串脈沖。分別研究每個脈沖階段下電穿孔及分子

3、跨膜傳輸特性。論文的主要工作及成果如下：
　?、俨捎?MATLAB仿真軟件對含核膜的單細胞空間區(qū)域進行離散，建立了其網格傳輸網絡模型，并對模型中的單元節(jié)點賦予電傳輸與孔傳輸雙向耦合特性，以空間每個節(jié)點的電位及內外膜上每對節(jié)點不同孔半徑下的孔密度為未知量，建立常微分方程組并進行求解。分別從空間電位分布、跨膜電壓曲線以及孔密度孔半徑分布等角度，仿真分析了單個脈沖作用下細胞內外膜的穿孔特性，并重點研究了場強對穿孔規(guī)律的影響。研究表明：穿

4、孔存在“過渡區(qū)域”，且過渡區(qū)域孔半徑較大、孔密度較?。欢龑﹄姌O區(qū)域孔密度較大，但孔半徑較小。場強越高，穿孔出現(xiàn)越早，撤去脈沖后內、外膜孔數(shù)量也越多，但外膜增加的更明顯。
　?、谠谏鲜鲭姶┛啄Ｐ突A上，進一步耦合分子傳輸模型，通過求解分子濃度空間分布和跨膜通量，仿真研究了單個脈沖作用下分子跨內、外膜傳輸特性，并重點研究了場強對穿孔規(guī)律的影響。研究表明：脈沖期間分子跨膜傳輸?shù)乃俾蔬h大于脈沖撤去后的速率。過渡區(qū)域存在著分子跨膜傳輸需要

5、的最優(yōu)孔密度、孔半徑分布。提高場強可在一定程度上促進分子跨膜傳輸，但若進一步增加場強，并不會對跨膜傳輸產生較明顯的促進作用。
　　③基于單脈沖的研究，進一步研究了串內多個脈沖之間以及多串脈沖下的穿孔特性，并研究了串內脈沖個數(shù)及頻率對內外膜穿孔規(guī)律的影響。研究表明：多脈沖作用時，穿孔數(shù)量基本不變，穿孔半徑有一定的累積效應。重復脈沖串的作用是使穿孔規(guī)律呈現(xiàn)一定的周期性，即每一串脈沖的作用與上一串脈沖作用幾乎相同。增加串內脈沖個數(shù)可少量

6、增加外膜孔數(shù)量，不會影響核膜孔數(shù)量。增加串內脈沖頻率基本不會影響外膜孔數(shù)量，但可大幅度增加核膜孔數(shù)量。
　　④進一步仿真分析了串內多個脈沖之間以及多串脈沖下的電穿孔特性，以及串內脈沖個數(shù)及頻率對分子跨膜傳輸規(guī)律的影響。研究表明：無論是連續(xù)多個脈沖，還是多個脈沖串，均可促進分子跨膜傳輸。對外膜而言，增加串內脈沖個數(shù)或者增加串內脈沖頻率都可促進分子跨膜傳輸；對核膜而言，增加串內脈沖個數(shù)會微弱增加分子跨膜傳輸，而增加串內頻率可大幅度提高

7、分子跨膜傳輸效率。
　　⑤借助已有的分子跨膜傳輸實驗文獻，利用本文仿真模型，選取與實驗相同的脈沖激勵，將仿真結果與實驗數(shù)據進行了對比。結果表明，仿真與實驗在定量角度上存在一定的誤差，并對造成誤差的原因進行了深入的分析。但從定性的角度上，二者可以說明同樣的規(guī)律。從而在一定程度上驗證了仿真模型的正確性。
　　綜上所述，本文深入研究了高頻納秒脈沖串作用于單細胞電穿孔及分子跨膜傳輸特性，并給出了不同脈沖參數(shù)對電穿孔及分子傳輸特性的影