基于網(wǎng)格傳輸網(wǎng)絡(luò)模型的高頻納秒脈沖串單細(xì)胞穿孔特性仿真.pdf

1、為了解決現(xiàn)有脈沖電場治療腫瘤技術(shù)存在的問題，并且同時(shí)發(fā)揮微秒脈沖電場(μsPEF)直接快速殺傷作用和納秒脈沖電場(nsPEF)的間接緩慢調(diào)控作用，本課題組創(chuàng)造性地提出了基于微秒脈沖調(diào)制高頻納秒脈沖電場誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)外膜穿孔的研究思路。但是針對這種新型脈沖形式還未有一套完整的、成熟的電穿孔特性規(guī)律作為理論支撐。因此，本課題的目標(biāo)就是深入研究μsPEF與nsPEF對細(xì)胞外膜和細(xì)胞內(nèi)膜協(xié)同穿孔的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律、高頻重復(fù) nsPEF對細(xì)胞外膜和細(xì)胞內(nèi)

2、膜累積穿孔的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律；深入研究不同脈沖參數(shù)對于穿孔特性的影響規(guī)律，從而為參數(shù)選擇提供一定的理論依據(jù)。
　　綜合國內(nèi)、外各類電穿孔仿真研究方法后，本文采用網(wǎng)格傳輸網(wǎng)絡(luò)(MTNM)這種比較適合“高頻納秒脈沖串”激勵(lì)的仿真模型。此模型可通過直接的電穿孔仿真與間接的分子傳輸仿真分別研究穿孔規(guī)律。考慮到此類脈沖形式時(shí)間跨度較大，為研究方便，本文將脈沖串分為三段：單個(gè)脈沖作用期間、1個(gè)脈沖串以及多串脈沖。分別研究每個(gè)脈沖階段下電穿孔及分子

3、跨膜傳輸特性。論文的主要工作及成果如下：
　?、俨捎?MATLAB仿真軟件對含核膜的單細(xì)胞空間區(qū)域進(jìn)行離散，建立了其網(wǎng)格傳輸網(wǎng)絡(luò)模型，并對模型中的單元節(jié)點(diǎn)賦予電傳輸與孔傳輸雙向耦合特性，以空間每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電位及內(nèi)外膜上每對節(jié)點(diǎn)不同孔半徑下的孔密度為未知量，建立常微分方程組并進(jìn)行求解。分別從空間電位分布、跨膜電壓曲線以及孔密度孔半徑分布等角度，仿真分析了單個(gè)脈沖作用下細(xì)胞內(nèi)外膜的穿孔特性，并重點(diǎn)研究了場強(qiáng)對穿孔規(guī)律的影響。研究表明：穿

4、孔存在“過渡區(qū)域”，且過渡區(qū)域孔半徑較大、孔密度較??；而正對電極區(qū)域孔密度較大，但孔半徑較小。場強(qiáng)越高，穿孔出現(xiàn)越早，撤去脈沖后內(nèi)、外膜孔數(shù)量也越多，但外膜增加的更明顯。
　?、谠谏鲜鲭姶┛啄Ｐ突A(chǔ)上，進(jìn)一步耦合分子傳輸模型，通過求解分子濃度空間分布和跨膜通量，仿真研究了單個(gè)脈沖作用下分子跨內(nèi)、外膜傳輸特性，并重點(diǎn)研究了場強(qiáng)對穿孔規(guī)律的影響。研究表明：脈沖期間分子跨膜傳輸?shù)乃俾蔬h(yuǎn)大于脈沖撤去后的速率。過渡區(qū)域存在著分子跨膜傳輸需要

5、的最優(yōu)孔密度、孔半徑分布。提高場強(qiáng)可在一定程度上促進(jìn)分子跨膜傳輸，但若進(jìn)一步增加場強(qiáng)，并不會(huì)對跨膜傳輸產(chǎn)生較明顯的促進(jìn)作用。
　?、刍趩蚊}沖的研究，進(jìn)一步研究了串內(nèi)多個(gè)脈沖之間以及多串脈沖下的穿孔特性，并研究了串內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)及頻率對內(nèi)外膜穿孔規(guī)律的影響。研究表明：多脈沖作用時(shí)，穿孔數(shù)量基本不變，穿孔半徑有一定的累積效應(yīng)。重復(fù)脈沖串的作用是使穿孔規(guī)律呈現(xiàn)一定的周期性，即每一串脈沖的作用與上一串脈沖作用幾乎相同。增加串內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)可少量

6、增加外膜孔數(shù)量，不會(huì)影響核膜孔數(shù)量。增加串內(nèi)脈沖頻率基本不會(huì)影響外膜孔數(shù)量，但可大幅度增加核膜孔數(shù)量。
　?、苓M(jìn)一步仿真分析了串內(nèi)多個(gè)脈沖之間以及多串脈沖下的電穿孔特性，以及串內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)及頻率對分子跨膜傳輸規(guī)律的影響。研究表明：無論是連續(xù)多個(gè)脈沖，還是多個(gè)脈沖串，均可促進(jìn)分子跨膜傳輸。對外膜而言，增加串內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)或者增加串內(nèi)脈沖頻率都可促進(jìn)分子跨膜傳輸；對核膜而言，增加串內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)會(huì)微弱增加分子跨膜傳輸，而增加串內(nèi)頻率可大幅度提高

7、分子跨膜傳輸效率。
　?、萁柚延械姆肿涌缒鬏攲?shí)驗(yàn)文獻(xiàn)，利用本文仿真模型，選取與實(shí)驗(yàn)相同的脈沖激勵(lì)，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，仿真與實(shí)驗(yàn)在定量角度上存在一定的誤差，并對造成誤差的原因進(jìn)行了深入的分析。但從定性的角度上，二者可以說明同樣的規(guī)律。從而在一定程度上驗(yàn)證了仿真模型的正確性。
　　綜上所述，本文深入研究了高頻納秒脈沖串作用于單細(xì)胞電穿孔及分子跨膜傳輸特性，并給出了不同脈沖參數(shù)對電穿孔及分子傳輸特性的影