交變電場作用下癌細胞和正常細胞內(nèi)熵產(chǎn)生的測量和比較.pdf

1、近年來，電場作用下細胞（特別是癌細胞）的生物學效應和外加電場的參數(shù)選擇正在成為人們研究的熱點。盡管這些研究非常的細致，但是忽略了癌細胞和正常細胞之間存在著巨大的熱力學差別。細胞作為一個熱力學系統(tǒng)，熵產(chǎn)生是必不可免的。癌細胞和正常細胞結(jié)構(gòu)上存在著巨大的差異，通過理論計算可知在沒有外場的作用下，癌細胞內(nèi)部的熵產(chǎn)生明顯高于正常細胞，兩者之間的差值大約在2.7×10-16J/(K·s)～2.2×10-14J/(K·s)的范圍內(nèi)。熵流的方向是從癌

2、細胞到正常細胞。但是在一定外場的作用下，正常細胞內(nèi)部的熵產(chǎn)生高于癌細胞，可能阻止甚至改變熵流的方向。熵流伴隨著信息流。這就可能提供了一種治療癌癥的方法。對交變電場作用下細胞內(nèi)部的熵產(chǎn)生進行理論研究發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)部的熵產(chǎn)生隨電場強度的增加單調(diào)上升，電場強度在5-40V/cm范圍內(nèi)可能達到治療要求。由此可見，在實驗上研究細胞內(nèi)部的熵產(chǎn)生是非常重要的。但是由于細胞體積小并且在培養(yǎng)基中，實驗上測量細胞內(nèi)部的熵產(chǎn)生是非常困難的。
　　本文利用細

3、胞在電場和環(huán)境中溫度變化以及此過程中細胞的熱量變化，提出一種新的測量細胞熵產(chǎn)生的方法，設(shè)計了測量交變電場作用下細胞內(nèi)部熵產(chǎn)生的實驗裝置。為了消除不確定因素，實驗時間選為300s，并且使用的溫度傳感器可以滿足測量要求，重復實驗每次都使用新的細胞，時間上盡量選為連續(xù)的兩天。
　　測量和比較了交變電場作用下兩對來自人同一組織的癌細胞（MDA-MB-231人乳腺癌細胞和SMMC-7721人肝癌細胞）和正常細胞（MCF10A人乳腺上皮正常細

4、胞和HL-7702人肝正常細胞）的熵產(chǎn)生。結(jié)果表明:這種方法能夠非常有效的測量交變電場作用下細胞內(nèi)部的熵產(chǎn)生。電場強度在5-40V/cm的范圍內(nèi)交變電場引起的癌細胞內(nèi)部熵產(chǎn)生隨著場強的增加單調(diào)上升，而正常細胞內(nèi)部的熵產(chǎn)生是非單調(diào)上升的，電場強度在在5-30V/cm的范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個峰值。電場強度在在5-25V/cm的范圍內(nèi)，電場引起的癌細胞內(nèi)部熵產(chǎn)生和正常細胞的比值（MDA-MB-231/MCF10A和SMMC-7721/HL-7702

5、）明顯小于1。這對理論估算提供了一定的實驗支持，并為進一步研究兩類細胞的熱力學差別提供依據(jù)。
　　對實驗數(shù)據(jù)進行了誤差分析，單因素方差分析。結(jié)果表明:誤差遠小于實驗數(shù)據(jù)，無電場作用和電場作用下細胞具有明顯的統(tǒng)計意義。實驗過程中環(huán)境溫度變化大約為0.8％，在熵產(chǎn)生計算中完全可以忽略。
　　我們提供了一個實驗上研究細胞熱力學性質(zhì)非常有效的手段，并且可以進一步研究交變電場作用下正常細胞和癌細胞的差異。從實驗結(jié)果來看，電場強度在5-

6、25V/cm的范圍內(nèi)，交變電場作用下，正常細胞內(nèi)部的熵產(chǎn)生要高于癌細胞內(nèi)部的熵產(chǎn)生，并且癌細胞和正常細胞內(nèi)部交變電場引起的熵產(chǎn)生差值達到了10-14J/(K·s)，這已經(jīng)達到了無外場時癌細胞和正常細胞內(nèi)部熵產(chǎn)生的差值，這有可能阻止甚至反轉(zhuǎn)癌細胞和正常細胞之間熵流和信息流方向的要求，從而達到治療的要求，這將為治療癌癥提供了一個新的線索和依據(jù)。
　　本工作的創(chuàng)新之處包括:提出了一個實驗上測量活細胞內(nèi)部熵產(chǎn)生的方法;測量和比較了交變電場