細胞電穿孔機理分析及電穿孔在腫瘤治療中的應用.pdf

1、細胞電穿孔是指細胞在外加電場的作用下，細胞膜磷脂雙分子層上形成微孔，使細胞膜的通透性增強的生物物理過程。當細胞膜發(fā)生電穿孔時，離子、親水分子、病毒顆粒、DNA、蛋白質以及藥物顆粒等正常情況下不能通過細胞膜的大分子得以進入細胞。 將細胞電穿孔技術運用于腫瘤治療是細胞電穿孔的眾多應用中的一項重要應用。利用電脈沖和化療藥物相結合進行腫瘤治療的方法稱為電化學療法，這種療法是基于對腫瘤施加電脈沖導致腫瘤細胞膜電穿孔，使細胞膜的通透性增強，

2、從而促進藥物進入細胞內部，提高藥物對細胞的毒性，進而提高對腫瘤的治療效果。 由于細胞電穿孔取決于施加的脈沖場強、脈沖時間、細胞大小、細胞種類以及懸浮液或周圍組織的條件，因此，對不同的細胞進行電穿孔以及對不同的腫瘤組織進行電化學療法的最佳條件常常通過實驗來確定。目前，對電穿孔和電化學療法的作用機理尚不十分清楚，對電化學療法中電場在腫瘤組織中的分布以及電場分布與療效之間的關系也不十分清楚。 本文的主要研究內容如下：

3、(1)通過實驗對比研究了長時間低幅度(20V/cm)周期性瞬態(tài)電脈沖和短時間高幅度(kV/cm)電脈沖對多種離體細胞的影響。證明這兩類電脈沖對細胞都有電穿孔效應，并且穿孔率和孔洞的大小除了與脈沖參數有關外，還與細胞的種類、結構、組成、形狀以及細胞的活性等有關。實驗發(fā)現：低幅度電脈沖對細胞膜的電穿孔是可逆的，在照射時間20～60min內，穿孔率與照射時間無明顯相關性，電致孔洞在細胞膜上不斷地出現，又不斷地自行修復，細胞不會死亡。高幅度電脈

4、沖對細胞電穿孔的幾率隨著脈沖幅度、寬度、個數的增加而增大，在單個細胞上出現電穿孔的數量多，在一定范圍內，穿孔率與脈沖幅度和脈沖作用時間的乘積成正比，該乘積過大則可能造成細胞的不可逆電擊穿，使細胞死亡。 (2)通過選取不同的離體腫瘤細胞、抗癌藥物、藥物劑量、電脈沖參數以及處理方式，實驗研究了脈沖聯合抗癌藥物對腫瘤細胞的毒性。證明電化學療法可以明顯提高藥物對腫瘤細胞的毒性，尤其是電脈沖聯合低劑量藥物可以使細胞毒性提高3倍以上。并且，

5、不同的腫瘤細胞對不同的抗癌藥物的敏感性不同，因此，在電化學療法中應根據腫瘤的種類選擇適當的藥物。 (3)建立了荷S180肉瘤KM小鼠模型，通過電脈沖分別聯合低劑量環(huán)磷酰胺、鹽酸阿霉素以及博萊霉素治療S180肉瘤小鼠。實驗結果表明：電化學療法組的抑瘤率達66～95％，腫瘤縮小比例為100％，完全消失的比例為41～73％，效果明顯優(yōu)于其它組。通過對腫瘤組織染色和切片組化分析，發(fā)現電化學療法對腫瘤細胞的抑制作用最強，絕大部分腫瘤細胞受

6、損甚至壞死，表明電脈沖聯合化療藥物治療荷S180肉瘤小鼠具有協同增效的作用。 (4)通過電脈沖聯合低劑量順鉑治療異種移植人卵巢癌SKOV3裸鼠，取得了很好的療效，為電化學療法在卵巢癌的臨床應用打下了基礎。 上述腫瘤電化學療法的實驗表明：高幅度電脈沖對腫瘤具有較強的抑制作用，其對腫瘤的治療作用具有選擇性，這種選擇性與腫瘤組織的特性以及腫瘤細胞的生物學特性有關。因此，在腫瘤電化學療法中應根據腫瘤的特性選擇合適的脈沖參數。

7、 實驗中采用的藥物劑量遠遠低于常規(guī)化療劑量，并且在腫瘤部位直接給藥，減少了藥物總量以及藥物的全身循環(huán)，毒副作用很小。通過對化療后的裸鼠腎臟做病理檢察表明：低劑量藥物未造成裸鼠腎功能的損傷。 高幅度電脈沖對腫瘤血管的生長具有明顯抑制作用。經電場處理的腫瘤表面幾乎無血管分布，而未經電場處理的腫瘤表面血管豐富。采用免疫組化法檢測腫瘤病理切片中血管內皮生長因子VEGF受體KDR的表達，經電場處理的腫瘤的VEGF受體KDR明顯下降，腫

8、瘤血管的生長受到明顯的抑制。說明高幅度電場抑制了腫瘤血管的生長，減少或完全切斷了腫瘤的營養(yǎng)供應，促使腫瘤細胞凋亡或壞死，達到了治療腫瘤的目的。 (5)基于腫瘤組織中的電場分布在腫瘤電化學療法中的重要性。本文針對實驗中的小鼠移植腫瘤模型和實驗條件，研制了用于腫瘤電化學療法的陣列電極，對不同的陣列電極和不同的加載方法，分析了電極周圍的場分布，建立了簡化的腫瘤組織模型。結合腫瘤及周邊組織的電參數，分析了陣列電極在腫瘤組織中產生的電場，

9、對已有的實驗結果進行了分析，并給出了電化學療法中陣列電極的選取原則。 (6)根據細胞的電介質特性，分析了外加電場與細胞形狀的關系。通過分析表明：電場作用于單凸單凹形的細胞時，在細胞凹凸部位具有場的集中效應。從電場增強的角度解釋了具有凹凸形狀的兔血紅細胞電穿孔都發(fā)生在中心處的原因。 (7)采用細胞動力學模型對電穿孔的機理進行了初步探討，從理論上分析了影響電穿孔的一些主要因素。最后就電穿孔與電場強度以及溫度的關系，對酵母細胞

10、進行了電穿孔實驗研究。分別改變脈沖電壓和環(huán)境溫度，研究了酵母細胞的電穿孔情況。結果表明：影響電穿孔的主要因素是施加的脈沖幅度，而環(huán)境溫度變化對電穿孔的影響很小，對電穿孔和電化學療法的深入研究具有一定的參考價值。 本文的創(chuàng)新點： (1)首次從細胞形狀對電場分布的影響的角度，分析了電穿孔與細胞形狀的關系。 (2)首次分析了不同的陣列電極結構和不同的脈沖加載方式在腫瘤中的電場分布。 (3)建立了異種移植人卵巢癌