等离子体中活性粒子选择性凋亡癌细胞的微观机理研究

发布时间：2020-11-07 19:23

　　 大气压低温等离子体(Cold Atmospheric Plasma,CAP)由于具有化学活性强、操作参数多变、产生方式简单等优点,在多个领域受到越来越广泛的应用,例如化工、航天、生物医学以及材料表面处理等。近年来,由于CAP含有的多种活性粒子(包括活性氧粒子Reactive Oxygen species,ROS和活性氮粒子Reactive Nitrogen species,RNS)能与生物大分子产生相互作用,因此其在生物医学领域的应用受到高度重视。尤其是将CAP运用于癌症治疗方面,相比于传统治疗方法有着无可比拟的优势。尽管大量研究已经在实验中验证了 CAP治疗癌症的有效性,但是受到实验检测手段的限制,CAP选择性凋亡癌细胞的微观机制仍不清楚。分子动力学模拟作为一种研究手段,能够从分子层面分析和探索大气压低温等离子体中活性粒子与癌细胞间相互作用的微观机制。借助高性能计算机,我们将模拟不同条件下CAP中多种活性粒子穿过癌细胞细胞膜的微观过程,并分析这个过程中活性粒子与细胞膜中多种物质的相互作用。这将有助于CAP选择性凋亡癌细胞理论的完善,并对CAP的实验与临床应用提供指导。本文的主要内容包括以下方面:(1)综述了 CAP在生物医学领域的应用,整合并分析CAP在治疗癌症方面的研究现状以及归纳概括其选择性凋亡癌细胞的原因。介绍分子动力学模拟在生物医学方面的应用,并且论证其用于分析活性粒子透膜过程的可行性。运用PACKMOL软件对两种细胞膜模型进行建模,并且运用分子动力学模拟进行进一步的分析研究。(2)运用分子动力学模拟研究不同种类ROS(OH、HO2、H202、O2)在膜水界面的分布与渗透过程,并从微观层面研究膜的形态和通透性变化。结果表明,不同种类的活性氧对磷脂和胆固醇的氧化率有很大差异。同时,细胞膜中磷脂的排列也受到等离子体产生的ROS影响。浓度会影响ROS在膜水界面的分布,从而影响与磷脂、胆固醇接触的概率,从而影响CAP破坏细胞膜的效率。疏水性的O2分子最容易穿透双层膜并停留在双层膜内,与磷脂的不饱和区接触的概率最高,因此在氧化过程中起着最重要的作用。胆固醇的双键区域最容易被HO2氧化。磷脂头部区域的活性氧使细胞膜厚度减小,双层膜内的活性氧使磷脂排列稀疏,从而增大了膜面积。自然条件下。疏水性分子(O2)最有可能进入细胞内部,而双层膜对亲水分子(OH,HO2,H2O2)具有很强的屏障作用。其中,H2O2由于氢键作用具有最高的跨膜势能,而OH与HO2跨膜所需能量基本相同。在等离子体处理下,HO2跨膜所需能量显著降低,而其他种类的ROS变化不大。(3)运用分子动力学模拟分析大气压低温等离子体产生的ROS在含有水通道蛋白-1(Aquaporin-1,AQP1)的细胞膜中的分布和渗透行为。研究这些ROS在跨膜过程中对AQP1构象的影响,进一步了解它们对AQP1转运功能的影响。由模拟结果可知,CAP产生的ROS可以通过AQPI穿过细胞膜,这种方式比通过脂质双分子层进行跨膜法更高效。OH和HO2通过AQP1形成的水通道进行跨膜的自由能势垒相似,明显低于H2O2。在跨膜过程中,CAP产生的ROS会影响AQP1的构象,这主要是由溶剂性质的变化引起的。H2O2主要分布在水层中,对AQP1附近的溶剂性质变化作用较小。OH和HO2对水通道两端的溶剂性能影响很大。疏水性的O2分子直接分布在AQP1内部,不会改变溶剂的性质。CAP产生的ROS不影响AQP1对溶剂的通透性,但是OH、HO2和O2干扰了 ar/R区域氨基酸间氢键的形成,影响了其过滤功能。本研究表明,ROS通过AQP1运输是其跨膜的重要途径,这种途径比通过脂质双分子层进行跨膜更高效。这一发现为研究CAP选择性凋亡癌细胞的机制提供了新的思路,因为有证据表明在癌细胞细胞膜上分布更多的AQP,使得ROS更容易进入细胞内部。然而,这些ROS会在跨膜过程中影响AQP1的构象,但这种构象变化对水通道的功能及其通透性的影响很小。这一结论为等离子体医学中等离子体剂量(电离时间和治疗时间)的选择提供了指导,从而促进CAP在实验及临床中应用的进一步发展。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：R730.4
【部分图文】：

山东大学硕士学位论文??１．２大气压低温等离子体??１．２．１等离子体概述??等离子体是物质在自然界中存在的四种基本形态之一。相比于固体、液体和??气体，等离子体中的原子高度电离，形成大量带电离子和电子，使得等离子体具??有很高的电导率。同时，正离子和电子的数量是大致相等的，因此等离子体总体??呈现为电中性。??在人造条件下产生等离子体的方法有很多，例如核聚变、核裂变和各种放??电等都能产生温度、密度各异的等离子体。因此对等离子体的分类标准有很??多，不同类型的等离子体用途也多种多样。根据温度能够将等离子体分为高温??等离子体和低温等离子体。高温等离子的温度范围大约在１０６？１０８Ｋ，其内部原??子几乎完全电离，电子温度、离子温度和中性粒子温度基本相同，常产生于核??聚变、核裂变等。低温等离子体又分为热等离子体和ＣＡＰ，热等离子体的温度??范围在１０３￣１０５Ｋ，而冷等离子的温度范围在１０２？１０５Ｋ。低温等离子体往往在??各种放电过程中产生。等离子的分类标准还包括电离度、粒子密度、等离子体??所处状态等，如图１－２所示。??火焰?闪电??极光?太阳??图１－１大自然中常见的等离子体??２??

于特定气体（例如氩气、氦气、氮气、氧气或者多种气体??混合物等）产生，这个过程中往往伴随着大量紫外线、电场的产生。这些电磁辐??射也会在ＣＡＰ的生物医学应用中发挥协同作用。??等离子体??存在方式?粒子密度?电离度?热力学平衡??「＾＾丨??Ｉ天然等离子体丨｜致密等离子体丨｜弱电离等离子体１１等离子体??ｉｉ?１?ｉｉ?｜丨ｉｉ?ｉｉ?１１局部热力学平衡Ｉ??Ｉ，?，，?Ｉ，?，，１，?，１?＂賴?１｜??ＩＩ?Ｉ」ＩＩ?ｌｊ?ＩＩ?ＩＩ?Ｉ?等系￥体?Ｉ??图１－２等离子体的分类??１．２．２大气压低温等离子体的产生方式??目前，大气压低温等离子的产生方式主要有介质阻挡放电（Ｄｉｅｌｅｃｔｎｃ?Ｂａｒｒｉｅｒ??Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，?ＤＢＤ）和等离子体射流（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ?Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?Ｐｌａｓｍａ?Ｊｅｔ，?ＡＰＰＪ）两种。介??质阻挡放电是将特定气体输送到两个电极之间，通过在电极间施加高频高压的电??压，从而使气体电离。这样产生ＣＡＰ面积较大，适用于大范围的生物医学应用，??例如大量的果蔬农残处理、大面积的杀菌等。但是这种类型的ＣＡＰ处于弥散的??状态，其气体组成并不均匀，湿度温度等参数也无法精确控制，因此操作稳定性??并不好。等离子体射流是将气体输送到一个空腔当中，设计圆筒状电极或是其他??合理的电极方案，使得电离发生在空腔内，再通过另外一个喷嘴喷射出来，如图??３??

山东大学硕士学位论文??１－３所示。这样产生的ＣＡＰ组成稳定，能够实现精准的定点处理，适用于小范围，??高精度的生物医学场景应用。??总而言之，这两种主要的大气压低温等离子体产生方式各有利弊，在实际使??用场景中要综合各方面因素选用合适的等离子体产生装置，从而达到更好的作用??效果。??Ａ?环酸极?ｂ??１—２—Ｉ＂?ＢＨ１??图１－３典型的大气压低溫等离子体射流装置示意图（Ａ）??射流装置产生等离子体射流的照片（Ｂ）??１．２．３大气压低温等离子体的生物应用??等离子体医学是研究等离子体对生物体（病毒、细菌、细胞、组织、器官、??皮肤等）的作用效应的一门新兴学科。由于ＣＡＰ具有安全、无残留、无毒性、??成本低廉等多种优势，在病菌灭活、血液凝结、癌症治疗等多个领域受到了广泛??应用，目前较为主要的应用领域有以下几个方面。??（１）病菌灭活：大气压低温等离子体灭活病菌是等离子体医学中最先开始??的工作，也是相关研究工作最完善、最丰富的应用领域。从Ｌａｒｏｕｓｓｉ课题组使用??介质阻挡放电产生的等离子体进行杀菌实验开始，ＣＡＰ己经被证实对革兰阳氏??菌、革兰阴氏菌、真菌等都具有良好的杀灭效果。同时，大气压低温等离子体在??口腔医学方面也具有极大的应用价值。研究人员使用ＣＡＰ进行牙科器械的消毒??清洁，牙齿根管的灭菌消毒和牙齿表面污垢的去除，均得到了极好的作用效果［１１＿??１４１。传统的灭菌方法，例如高温灭菌、辐射灭菌等，有着处理周期长、产生环境??危害性副产物、温度高等缺点。而大气压低温等离子体灭菌效率极高，温度接近??于室温，且产生的副产物不会对人体和环境造成危害，因此在食品加工、口腔医??学、器
【参考文献】

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本文编号：2874373