细胞力学特性对电刺激的响应研究进展
发布时间：2021-07-03 20:29
近40年,探索电刺激在生物医学中的应用引起了人们极大的兴趣,这种兴趣很大程度上来自于电刺激细胞实验研究方面取得的进展,其结果对研发疾病诊疗新技术具有参考意义。从直流电场、正弦电场、脉冲电场3个方面回顾电刺激细胞的实验设备,综述了电刺激对细胞弹性模量、细胞间应力、细胞黏附力、细胞膜系索力等力学特性的影响规律与生物学机理,以及电刺激在诱导细胞分化,凋亡,改变细胞迁移方向等方面的应用。总结了电刺激-细胞力学特性-细胞生物行为关联性研究的进展。直流电场可引导细胞迁移和排列;正弦电场可导致细胞膜和骨架的分离;脉冲电场可破坏细胞膜、细胞骨架、核膜、染色体端粒的结构,使细胞变形。探讨了目前细胞电刺激研究存在的问题,并对未来发展方向提出了建议。
【文章来源】：科技导报. 2020,38(22)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
向细胞提供直流电刺激的装置
脉冲电场相较于直流电场和正弦电场有高场强和短脉冲宽度的特点。其中脉宽为纳秒级，场强在10～100 k V/cm的高压纳秒脉冲电场由于脉冲宽度低于细胞膜的充电时间常数可透过细胞膜的屏蔽作用，使电场作用延伸到细胞内[36]。因此，脉冲电场尤其是纳秒级脉冲电场在杀菌[37-39]和生物医学领域得到广泛的应用。提供高强度脉冲电场的装置一般为基于Blumlein线原理的脉冲发生器[40-42]，这样的发生器可以提供高功率低能量的脉冲。一种典型的对细胞施加脉冲电场的装置如图2[42]所示，电极不直接与细胞溶液接触，而是将装着细胞溶液的容器放在2个电极之间接收脉冲刺激，所以不存在电极副产物问题。因为纳秒级脉冲电场低能量的特点，电场产生的焦耳热微乎其微。脉冲电场对细胞的作用包括在细胞膜形成孔隙[42-45]，对细胞骨架、核膜、染色体端粒的破坏[42-43,46-49]，使细胞变形[30,43,50]，诱导细胞凋亡[44-45,51-53]。低强度的脉冲电流还显示出诱导细胞分化的潜力[54]。Timoshkin等[55]从力的角度解释了脉冲电场在细胞膜表面形成孔隙的原因。脉冲电场加大了细胞的跨膜电压，在细胞膜上产生较大的麦克斯韦应力，该应力与细胞膜的抗拉强度相当，进而在膜表面形成孔隙。电场对细胞骨架和核膜的破坏，以及导致细胞膜上孔隙的形成直接导致了细胞弹性模量的下降。Dutta等[43]通过实验表明单次强度较高的纳秒级脉冲电场（60 k V/cm,60 ns）使Jurkat细胞弹性模量损失80%以上，这是由于纳秒级脉冲电场（ns PEF）破坏细胞骨架引起的，而较低强度的纳秒级脉冲电场（15 k V/cm,60 ns）使细胞弹性模量损失较少，这是由于电场作用在细胞膜上形成了孔隙。Louise等[48]研究表明，8次毫秒级脉冲电场（400 V/cm,5 ms,1 Hz）使中国仓鼠卵巢细胞（CHO）骨架破坏,导致细胞弹性模量下降。脉冲电场诱导膜孔隙形成导致的膜通透性增加已被成功地用于将大分子引入活细胞[56-57]、提取细胞成分[58-59]或在不加热的情况下灭活微生物[39,60-61]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]脉冲微交流电刺激促进体外诱导大鼠骨髓间充质干细胞向心肌分化[J]. 姚青,宋治远,马显光. 第三军医大学学报. 2008(05)
[2]ns级陡脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的实验研究[J]. 张仁民,姚陈果,陈新,莫登斌,孙才新. 高电压技术. 2007(02)
博士论文
[1]高压脉冲电场处理室内多物理场对微生物灭活作用的研究[D]. 黄康.浙江大学 2013
[2]低温等离子体和脉冲电场灭菌技术[D]. 郑超.浙江大学 2013
本文编号：3263295
【文章来源】：科技导报. 2020,38(22)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
向细胞提供直流电刺激的装置
脉冲电场相较于直流电场和正弦电场有高场强和短脉冲宽度的特点。其中脉宽为纳秒级，场强在10～100 k V/cm的高压纳秒脉冲电场由于脉冲宽度低于细胞膜的充电时间常数可透过细胞膜的屏蔽作用，使电场作用延伸到细胞内[36]。因此，脉冲电场尤其是纳秒级脉冲电场在杀菌[37-39]和生物医学领域得到广泛的应用。提供高强度脉冲电场的装置一般为基于Blumlein线原理的脉冲发生器[40-42]，这样的发生器可以提供高功率低能量的脉冲。一种典型的对细胞施加脉冲电场的装置如图2[42]所示，电极不直接与细胞溶液接触，而是将装着细胞溶液的容器放在2个电极之间接收脉冲刺激，所以不存在电极副产物问题。因为纳秒级脉冲电场低能量的特点，电场产生的焦耳热微乎其微。脉冲电场对细胞的作用包括在细胞膜形成孔隙[42-45]，对细胞骨架、核膜、染色体端粒的破坏[42-43,46-49]，使细胞变形[30,43,50]，诱导细胞凋亡[44-45,51-53]。低强度的脉冲电流还显示出诱导细胞分化的潜力[54]。Timoshkin等[55]从力的角度解释了脉冲电场在细胞膜表面形成孔隙的原因。脉冲电场加大了细胞的跨膜电压，在细胞膜上产生较大的麦克斯韦应力，该应力与细胞膜的抗拉强度相当，进而在膜表面形成孔隙。电场对细胞骨架和核膜的破坏，以及导致细胞膜上孔隙的形成直接导致了细胞弹性模量的下降。Dutta等[43]通过实验表明单次强度较高的纳秒级脉冲电场（60 k V/cm,60 ns）使Jurkat细胞弹性模量损失80%以上，这是由于纳秒级脉冲电场（ns PEF）破坏细胞骨架引起的，而较低强度的纳秒级脉冲电场（15 k V/cm,60 ns）使细胞弹性模量损失较少，这是由于电场作用在细胞膜上形成了孔隙。Louise等[48]研究表明，8次毫秒级脉冲电场（400 V/cm,5 ms,1 Hz）使中国仓鼠卵巢细胞（CHO）骨架破坏,导致细胞弹性模量下降。脉冲电场诱导膜孔隙形成导致的膜通透性增加已被成功地用于将大分子引入活细胞[56-57]、提取细胞成分[58-59]或在不加热的情况下灭活微生物[39,60-61]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]脉冲微交流电刺激促进体外诱导大鼠骨髓间充质干细胞向心肌分化[J]. 姚青,宋治远,马显光. 第三军医大学学报. 2008(05)
[2]ns级陡脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的实验研究[J]. 张仁民,姚陈果,陈新,莫登斌,孙才新. 高电压技术. 2007(02)
博士论文
[1]高压脉冲电场处理室内多物理场对微生物灭活作用的研究[D]. 黄康.浙江大学 2013
[2]低温等离子体和脉冲电场灭菌技术[D]. 郑超.浙江大学 2013
本文编号：3263295
本文链接：https://www.wllwen.com/yixuelunwen/swyx/3263295.html
