协同脉冲电场增强不可逆电穿孔组织消融疗效的电学机理与实验研究
发布时间：2021-09-11 12:44
近年来,脉冲电场在生物医学领域中的应用逐渐受到科学家、工程师、医师的广泛关注,其中不可逆电穿孔作为一种非热肿瘤消融的物理手段,在肿瘤治疗领域中具有以下优势:快捷、可视、可控、微创、选择性和非热机理,因此已在临床中取得了良好的治疗效果,具有广阔的应用前景。然而不可逆电穿孔技术在临床肿瘤治疗中仍存在难点问题亟需解决,目前采用传统脉冲治疗大尺寸肿瘤时,产生的消融区域相对较小,因此在肿瘤治疗时将有可能出现无法完全覆盖其目标组织的情况,导致消融不彻底。上述问题的解决,能够进一步推进不可逆电穿孔肿瘤治疗的临床应用,对广大肿瘤患者的治疗具有重要意义。临床中为保证治疗微创性,一般采用针电极传递脉冲,组织中形成的电场可在针电极周围产生消融区域,同时在消融区域外围也会产生可逆电穿孔区域。治疗结束后,可逆电穿孔区域恢复,导致消融区域无法进一步扩大。基于此,本论文在国家自然科学基金面上项目（51877022）、重庆市杰出青年基金项目（批准号:cstc2014jcyjjq90001）和中央高校基本科研业务费专项项目（批准号:2018CDPTCG0001/24）的支持下,提出了采用协同脉冲方法扩大组织消融区域,深...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
A–D：基于分子动力学仿真以POPC脂质双分子层系统为对象研究微孔的形成
1绪论3simulationtimeonporeformationprocessislessthan5ns[15]在实验过程中，施加数百V/cm电场强度的微秒脉冲电场也能够产生电穿孔。脉冲电场作用下微孔的尺寸很小，很难基于荧光显微镜或者光学显微镜直观检测微孔的存在，但可以采用扫描电子显微镜观察电场作用后微孔是否存在。Chang和Reese[29]等人采用快速冷冻电子显微镜观测射频电场作用后人红细胞膜上是否存在微孔，实验结果发现在电场作用后的3ms内，类似于火山口形状的微孔出现在人红细胞膜上，并且这些微孔足以让大分子（如DNA等）物质进入到细胞内部。微孔的尺寸在20ms内能够迅速的扩大到20-120nm，但是在数秒后开始缩小和闭合。上述实验表明了电场作用下细胞膜上能够产生纳米级的微孔。Edward等人[30]研究脉冲电场（幅值为2500V，宽度为100μs，90个脉冲）作用下能否在新西兰大白兔肝脏和约克夏猪肝脏细胞膜上引起纳米级孔洞，扫描电子显微镜检测结果表明，在脉冲电场作用下，实验组中细胞膜上出现了大量的微孔，微孔的边界清晰，呈凹面圆形，但是在正常对照组中并没有微孔存在（图1.2）。图1.2脉冲电场作用后扫描电子显微镜下正常兔肝细胞膜（A和C）与脉冲处理后兔肝细胞膜（B和D）形态结构图[30]Fig.1.2thecellmembranemorphologyofrabbitliveratnormalstatus(AandC)andafterpulsestimulation(BandD)underthescanningelectronmicroscope[30]仿真和实验都表明脉冲电场能够在细胞膜上产生微孔，电穿孔的理论模型研究中可以基于细胞各组分的介电参数并结合电穿孔方程建立等效模型描述电穿孔与各脉冲电场参数间的关系[31]。
重庆大学博士学位论文4在细胞的正常生理活动下，细胞膜上一般会存在静息电压（restingtransmembranevoltage），用于运载离子等进入细胞内部。静息电压的幅值会由于细胞种类的不同而有所区别，一般为数十mV。在细胞正常生理活动中，细胞膜的电气特征呈绝缘特性，如图1.3所示，细胞膜可等效为电容元件，在电场作用下，细胞膜两侧的离子进行重排与集聚，从而引起较高的跨膜电压（TMV，TransmembraneVoltage）。电场引起的跨膜电压与静息电压有本质的区别，静息电压在细胞膜上各点是相同的，但是电场引起的跨膜电压在细胞膜上各点的幅值不同[32]~[35]。当细胞膜上的跨膜电压超过一定阈值时，细胞膜上发生电穿孔，导致细胞膜的通透性瞬间激增[36]~[37]。图1.3脉冲作用下细胞膜电气击穿过程Fig.1.3Electricbreakdownofcellmemabrneundertheelectricpulse跨膜电压（TMV）的理论计算可采用拉普拉斯方程求解，计算得出的结果通过电压敏感性膜染料进行实验验证[37]~[38]。针对简化的单个球形细胞（图1.4），可采用如下公式进行计算[39]：mt/1.5cos(1e)restTMVERU（1.1）其中E为电场强度，R为细胞半径，θ为电场方向与细胞膜径向分量的夹角，t为脉冲宽度，τm为细胞膜的充电常数，Urest为细胞膜静息电压。从式1.1中可以看出，电场引起的跨膜电压并不是即刻建立的，需要一定的充电时间（图1.5）。充电时间常数与细胞膜、细胞外液与细胞内液的电气特性相关，而且也与细胞的尺寸相关。例如，10μm的球形细胞放置在电导率为1S/m的生理盐水溶液中，细胞膜的充电时间在数百纳秒左右[40]。从公式1.1中也可以看出电场引起的跨膜电压在不同细胞膜位置上的幅值是不同的（图1.5），离电极最近点的跨膜电压幅值最大，而离电极最远?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传算法的不可逆电穿孔肿瘤消融治疗计划的优化[J]. 赵亚军,姚陈果,董守龙,陈锐,刘红梅,廖瑞金. 高电压技术. 2017(02)
[2]不可逆电穿孔时组织电导率变化对电场和温度的影响[J]. 陈锐,姚陈果,李成祥,赵亚军,董守龙,储贻道. 高电压技术. 2014(12)
[3]冷冻消融在肾肿瘤治疗中的应用[J]. 李恒,叶章群. 现代泌尿生殖肿瘤杂志. 2011(04)
[4]超声引导不可逆电穿孔消融山羊肝脏的实验研究[J]. 刘颖,周玮,熊正爱,李成祥,姚陈果. 解放军医学杂志. 2011(03)
[5]不可逆电穿孔治疗技术的临床前大动物实验研究[J]. 李成祥,孙才新,姚陈果,米彦,刘颖,熊正爱. 高电压技术. 2010(05)
[6]肝癌微波消融术前超声造影对肝脏肿瘤再定性的应用价值[J]. 季正标,王文平,俞清,李超伦,黄备建,丁红. 中国介入影像与治疗学. 2010(01)
[7]陡脉冲致肿瘤不可逆性电击穿的场强阈值研究[J]. 向鹏,李成祥,廖瑞金,姚陈果,米彦,熊正爱,顾华妍. 高电压技术. 2008(10)
[8]肿瘤手术切缘的分子边界研究进展[J]. 李楠,王景美,黄培林. 东南大学学报(医学版). 2008(05)
[9]电脉冲在活体兔肝组织中的电场分布研究[J]. 凌晓娟,熊正爱,李成祥,姚陈果,孙才新. 第三军医大学学报. 2007(19)
[10]陡脉冲电场对荷瘤Wistar大鼠免疫功能的影响[J]. 米彦,孙才新,姚陈果,熊兰,王士彬,罗小东,胡丽娜. 生物医学工程学杂志. 2007(02)
本文编号：3393024
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
A–D：基于分子动力学仿真以POPC脂质双分子层系统为对象研究微孔的形成
1绪论3simulationtimeonporeformationprocessislessthan5ns[15]在实验过程中，施加数百V/cm电场强度的微秒脉冲电场也能够产生电穿孔。脉冲电场作用下微孔的尺寸很小，很难基于荧光显微镜或者光学显微镜直观检测微孔的存在，但可以采用扫描电子显微镜观察电场作用后微孔是否存在。Chang和Reese[29]等人采用快速冷冻电子显微镜观测射频电场作用后人红细胞膜上是否存在微孔，实验结果发现在电场作用后的3ms内，类似于火山口形状的微孔出现在人红细胞膜上，并且这些微孔足以让大分子（如DNA等）物质进入到细胞内部。微孔的尺寸在20ms内能够迅速的扩大到20-120nm，但是在数秒后开始缩小和闭合。上述实验表明了电场作用下细胞膜上能够产生纳米级的微孔。Edward等人[30]研究脉冲电场（幅值为2500V，宽度为100μs，90个脉冲）作用下能否在新西兰大白兔肝脏和约克夏猪肝脏细胞膜上引起纳米级孔洞，扫描电子显微镜检测结果表明，在脉冲电场作用下，实验组中细胞膜上出现了大量的微孔，微孔的边界清晰，呈凹面圆形，但是在正常对照组中并没有微孔存在（图1.2）。图1.2脉冲电场作用后扫描电子显微镜下正常兔肝细胞膜（A和C）与脉冲处理后兔肝细胞膜（B和D）形态结构图[30]Fig.1.2thecellmembranemorphologyofrabbitliveratnormalstatus(AandC)andafterpulsestimulation(BandD)underthescanningelectronmicroscope[30]仿真和实验都表明脉冲电场能够在细胞膜上产生微孔，电穿孔的理论模型研究中可以基于细胞各组分的介电参数并结合电穿孔方程建立等效模型描述电穿孔与各脉冲电场参数间的关系[31]。
重庆大学博士学位论文4在细胞的正常生理活动下，细胞膜上一般会存在静息电压（restingtransmembranevoltage），用于运载离子等进入细胞内部。静息电压的幅值会由于细胞种类的不同而有所区别，一般为数十mV。在细胞正常生理活动中，细胞膜的电气特征呈绝缘特性，如图1.3所示，细胞膜可等效为电容元件，在电场作用下，细胞膜两侧的离子进行重排与集聚，从而引起较高的跨膜电压（TMV，TransmembraneVoltage）。电场引起的跨膜电压与静息电压有本质的区别，静息电压在细胞膜上各点是相同的，但是电场引起的跨膜电压在细胞膜上各点的幅值不同[32]~[35]。当细胞膜上的跨膜电压超过一定阈值时，细胞膜上发生电穿孔，导致细胞膜的通透性瞬间激增[36]~[37]。图1.3脉冲作用下细胞膜电气击穿过程Fig.1.3Electricbreakdownofcellmemabrneundertheelectricpulse跨膜电压（TMV）的理论计算可采用拉普拉斯方程求解，计算得出的结果通过电压敏感性膜染料进行实验验证[37]~[38]。针对简化的单个球形细胞（图1.4），可采用如下公式进行计算[39]：mt/1.5cos(1e)restTMVERU（1.1）其中E为电场强度，R为细胞半径，θ为电场方向与细胞膜径向分量的夹角，t为脉冲宽度，τm为细胞膜的充电常数，Urest为细胞膜静息电压。从式1.1中可以看出，电场引起的跨膜电压并不是即刻建立的，需要一定的充电时间（图1.5）。充电时间常数与细胞膜、细胞外液与细胞内液的电气特性相关，而且也与细胞的尺寸相关。例如，10μm的球形细胞放置在电导率为1S/m的生理盐水溶液中，细胞膜的充电时间在数百纳秒左右[40]。从公式1.1中也可以看出电场引起的跨膜电压在不同细胞膜位置上的幅值是不同的（图1.5），离电极最近点的跨膜电压幅值最大，而离电极最远?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传算法的不可逆电穿孔肿瘤消融治疗计划的优化[J]. 赵亚军,姚陈果,董守龙,陈锐,刘红梅,廖瑞金. 高电压技术. 2017(02)
[2]不可逆电穿孔时组织电导率变化对电场和温度的影响[J]. 陈锐,姚陈果,李成祥,赵亚军,董守龙,储贻道. 高电压技术. 2014(12)
[3]冷冻消融在肾肿瘤治疗中的应用[J]. 李恒,叶章群. 现代泌尿生殖肿瘤杂志. 2011(04)
[4]超声引导不可逆电穿孔消融山羊肝脏的实验研究[J]. 刘颖,周玮,熊正爱,李成祥,姚陈果. 解放军医学杂志. 2011(03)
[5]不可逆电穿孔治疗技术的临床前大动物实验研究[J]. 李成祥,孙才新,姚陈果,米彦,刘颖,熊正爱. 高电压技术. 2010(05)
[6]肝癌微波消融术前超声造影对肝脏肿瘤再定性的应用价值[J]. 季正标,王文平,俞清,李超伦,黄备建,丁红. 中国介入影像与治疗学. 2010(01)
[7]陡脉冲致肿瘤不可逆性电击穿的场强阈值研究[J]. 向鹏,李成祥,廖瑞金,姚陈果,米彦,熊正爱,顾华妍. 高电压技术. 2008(10)
[8]肿瘤手术切缘的分子边界研究进展[J]. 李楠,王景美,黄培林. 东南大学学报(医学版). 2008(05)
[9]电脉冲在活体兔肝组织中的电场分布研究[J]. 凌晓娟,熊正爱,李成祥,姚陈果,孙才新. 第三军医大学学报. 2007(19)
[10]陡脉冲电场对荷瘤Wistar大鼠免疫功能的影响[J]. 米彦,孙才新,姚陈果,熊兰,王士彬,罗小东,胡丽娜. 生物医学工程学杂志. 2007(02)
本文编号：3393024
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