不可逆电穿孔治疗恶性肿瘤的数值模拟

对细胞施加满足一定参数的外加脉冲电场会使细胞膜发生不可逆穿孔从而使细胞死亡.这一技术,通常被称为不可逆电穿孔,已成为恶性肿瘤非热消融治疗的有力工具.确定外加脉冲电场的各项参数,以达到杀死全部肿瘤细胞并大限度减少对健康组织伤害的目的,是不可逆电穿孔治疗恶性肿瘤成功的关键.本文根据近年来不可逆电穿孔治疗肿瘤的相关研究,总结了不可逆电穿孔致细胞死亡的机理和不可逆电穿孔治疗恶性肿瘤治疗方案的设计思路,并通仿真模拟实例概括了利用有限元分析软件Comsol Multiphysics确定不可逆电穿孔治疗肿瘤治疗方案的方法,为应用不可逆电穿孔进行肿瘤消融治疗的治疗方案提供了方法学的依据.

脉冲电场空气消毒器对黑曲霉菌杀灭效果观察

目的 观察一种脉冲电场空气毒器对空气中黑曲霉菌的杀灭效果.方法 采用空气微生物采样器和平板沉降法,对该空气消毒器杀灭室内空气中黑曲霉菌和自然菌的效果进行观察.结果 在20 m3实验室内开启该脉冲电场空气消毒器运行60 min,对室内空气中黑曲霉菌的平均杀灭率为99.93％.在180 m3的办公室内密闭无人条件下,开启该脉冲电场空气消毒器运行1h,对室内空气中自然菌的平均杀灭率为93.15％,处理后的空气剩余存活菌范围在53～88 cfu/m3.结论 该脉冲电场空气消毒器对室内黑曲霉菌孢子具有较好的净化或杀灭作用,模拟现场和现场消毒实验均可在60 min达到消毒指标要求.

脉冲电场空气消毒器对微生物的杀灭效果及作用机理研究

目的 观察脉冲电场空气消毒器对细菌芽孢的杀灭效果,探索脉冲电场对气溶胶细菌的杀灭机理.方法 参考《消毒技术规范》中空气模拟现场消毒和空气现场消毒试验,对细菌芽孢杀灭效果进行检测;应用流式细胞仪检测空气中细菌细胞的损伤.结果 温度23 ～ 24℃、相对湿度64％～74％条件下,开启空气消毒器120 min,对气雾室空气中枯草杆菌黑色变种芽孢的平均杀灭率为99.16％,对照组空气中细菌的自然衰亡率在35.37％;高风速每日开启消毒器8h对80 m3室内空气持续消毒,第1、7、14、30、90、180 d自然菌平均消亡率均＞90％;对白色葡萄球菌气溶胶作用20 min,细菌出现死亡、碎片化和DNA断裂.结论 脉冲电场对细菌气溶胶的杀灭机理可能为破坏细胞膜结构,使细胞崩解和DNA片段化损伤.脉冲电场空气消毒器开启2h,能够有效杀灭枯草杆菌黑色变种芽孢;每天开启8h,能有效控制空气中自然菌数量.

正交设计法优化夹脊穴脉冲电场脊髓损伤康复处方的临床研究

目的:通过正交设计选择夹脊穴脉冲电场治疗脊髓损伤(SCI)优处方,为临床治疗本病提供参考.方法:选取56例SCI患者,36例患者进行正交试验,20例患者进行临床验证.36例进行正交设计患者,以Frankel分级变化为观察指标,筛选脉冲电场优处方,研究包括脉冲频率(A因素:AⅠ:低频(102 Hz),AⅡ:中频(104 Hz),AⅢ:高频(105 Hz))、脉冲幅度(B因素:BⅠ:0～30 Ⅴ,BⅡ:0～60 Ⅴ,BⅢ:0～90 Ⅴ)、脉冲宽度(C因素:CⅠ:0.4 ms,CⅡ:0.6 ms,CⅢ:0.9 ms))、针刺时间(D因素:DⅠ:1个月,DⅡ:3个月,DⅢ:5个月);对20例患者进行临床效果观察,观察筛选的脉冲夹脊电场优处方结合常规康复方法对患者痉挛程度、感觉与运动功能评分、Barthel指数、脊髓损伤严重程度(Frankel分级)的影响.结果:①正交试验表明,优处方为AⅢ BⅢCⅠ DⅢ,即脉冲频率为高频(105 Hz)、脉冲幅度为0～90 Ⅴ、脉冲宽度为0.4 ms、针刺时间为5个月;②20例患者临床验证表明,治疗后Ashworth评分、腱反射及阵挛均明显改善(P＜0.001,P＜0.01),运动功能评分、感觉功能评分明显提高(P＜0.001,P＜0.05),Barthel指数、Frankel分级亦明显改善(P＜0.001,P＜0.05).结论:夹脊穴脉冲电场治疗SCI的优处方:脉冲频率为高频(105 Hz)、脉冲幅度为0～90 Ⅴ、脉冲宽度为0.4 ms、针刺时间为5个月,采用夹脊穴脉冲电场配合常规康复可明显改善SCI患者痉挛程度、提高运动及感觉功能、改善日常生活活动能力及Frankel分级.

夹脊脉冲电刺激在脊髓损伤患者康复中的应用

脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)是脊髓遭受损害导致主要功能(感觉、运动、反射等)出现障碍的一类严重损伤.随着社会现代化程度的提高,特别是交通工具的发展,其发病率和致死率在逐年升高[1].由于现代医学的发展,虽然有更多的SCI患者从初次损伤中存活下来,但大多留有残疾,严重地影响了生活质量,并给家庭和社会带来了沉重的负担.目前,临床对于SCI的康复治疗主要有大剂量的激素、神经节苷脂以及外科干预等,然而药物的不良反应、使用药物的时间窗以及外科手术的费用等诸多因素给SCI患者的康复带来一定的障碍.2008年1月-2012年6月,笔者应用夹脊脉冲电刺激方法治疗SCI患者126例,取得良好效果,现报道如下.

电穿孔技术的研究及应用进展

脉冲电场的电穿孔效应已作为一项单独的技术在医学上被广泛应用,其机制是高强度电脉冲引发细胞膜结构一过性改变,致暂时可逆性膜渗透性增加,膜上出现亲水性孔道,即电穿孔(electroporation)[1],其可促进非渗透性外源性大分子物质,诸如基因、药物等进入细胞内.特别是癌症的电化学治疗,由日本学者Okino[2]创立于80年代末,利用高场强电脉冲的膜穿作用辅助化疗药物,如博来霉素等治疗肿瘤,这样使不易透过脂质双分子层膜的化疗药物易进入细胞内,从而增敏化疗,不但降低博来霉素全身使用剂量,同时减少了细胞毒药物的全身毒副作用,现今癌症的电化学疗法(electrochemotherapy,ECT)已逐渐成为癌症综合治疗的有效补充手段之一.

超声引导不可逆电穿孔消融山羊肝脏的实验研究

目的 探讨超声引导经皮穿刺不可逆性电穿孔(IRE)微创消融山羊肝脏组织的可行性、B超影像学特点及其病理学变化.方法 4～6月龄山羊4只,体重25～30kg,采用同定脉宽100μs、频率1Hz、电压2000V的脉冲电场,120个脉冲,经彩色超声探头引导电极针经皮定位穿刺处理肝脏组织,观察处理过程中及处理后即刻、24h靶区B超灰度变化和肝脏坏死轮廓,并与仿真电场相比较,同时在对应时间点各取材2只行HE组织病理切片观察.结果 超声引导经皮IRE消融靶区组织定位准确,与周围正常组织回声明显不同,坏死组织轮廓与电极的电场仿真图像相吻合;光镜观察处理区肝细胞完全坏死,与周同正常细胞分界清楚.结论 超声实时引导定位IRE消融范围精确、可控,并可监测处理后坏死区回声变化范围,为IRE的临床应用提供了大动物实验依据.

不可逆性电穿孔致山羊肝脏组织凋亡与坏死的实验研究

目的 评价不可逆性电穿孔(IRE)消融山羊肝脏组织的效果,以及消融区域肝细胞坏死、凋亡与电场分布的关系.方法 取4～6月龄山羊作为研究对象,对其给予IRE处理:经彩色超声探头引导电极针经皮定位肝脏,施加120个脉冲电场(固定电压2000V、脉宽100<,μs>、频率lH<,z>).24h后处死动物,取电极针周围肝脏组织标本(包括脉冲电场处理区域中心部分和处理区域与正常组织交界区)和正常组织(作为对照).将标本进行处理后,分别行HE染色观察组织的病理学变化;采用DNA ladder和TUNEL法检测组织细胞凋亡,采用流式细胞仪分析细胞周期.结果 病理学观察可见,消融处理区的肝细胞完全坏死,与正常组织分界清晰,围绕电极针的中心区域呈现凝固性坏死.TUNEL法显示凋亡细胞主要集中在处理区与正常组织的交界区.DNA ladder法在处理区与正常组织交界区组织检测到400～1000bp的梯状条带.流式细胞术分析显示,脉冲电场处理区细胞DNA二倍体峰前面出现亚二倍体凋亡峰.结论 采用IRE消融山羊肝脏组织,细胞在电场强度分布高处(即围绕电极针的中心区域)呈现凝固性坏死;在电极针周边处理区域,随电场强度衰减,肝细胞仍呈现出凋亡迹象.

利用电磁脉冲使细胞膜电穿孔及癌症治疗

一、电穿孔现象电穿孔(Electroporation)是指在脉冲电场的作用下,导致细胞膜或组织膜半透性丧失,膜上出现穿孔的生物物理现象,目前主要集中于研究单个或数个高强度脉冲电场作用下细胞的穿孔现象,其场强一般在l05～106V/m之间,而脉冲持续时间一般为10-6～10-3s量级,Weaver,Song,和Zimmermann等学者对高强度电脉冲导致电穿孔的机制和应用做了详细的研究[1].

电穿孔技术的研究及应用进展

脉冲电场的电穿孔效应在医学上的应用是一门多学科的生物医学工程学技术,已证实其主要的生物学效应是使靶细胞膜发生可逆及不可逆性电击穿.近年电穿孔效应所介导的电化学治疗应用广泛.对电脉冲的量-效关系、电场分布、膜穿标记物及生物电阻成像等基础研究及临床应用中的进展及尚存问题作一综述.

脉冲电场促进宫颈癌HeLa细胞摄取光敏剂的实验研究

目的 探讨脉冲电场对人宫颈癌HeLa细胞摄取光敏剂"二氢卟吩E6"的促进作用.方法 以人宫颈癌HeLa细胞为研究对象,通过细胞毒性实验比较单独或联合应用脉冲电场与光动力治疗时细胞的杀伤效应的差异;通过激光共聚焦显微镜半定量与流式细胞术定量观察细胞内荧光物质的强度.结果 脉冲电场联合光动力治疗提高了细胞的杀伤效率,强于单纯光动力治疗组;激光共聚焦显微镜半定量观察可见,脉冲电场联合光动力治疗组细胞内的荧光亮度明显高于单纯光动力治疗组;流式细胞术定量检测证实了脉冲电场联合光动力治疗,显著增加HeLa细胞对光敏剂的摄取(P＜0.001).结论 脉冲电场显著促进宫颈癌HeLa细胞摄取光敏剂,可有效增加光动力治疗的效率,减少其副作用.

脉冲电场联合野生型p53基因诱导人宫颈癌Hela细胞凋亡

背景:在前期研究基础上,设想将基因电转染作为脉冲电场治疗恶性肿瘤的辅助方法.目的:探讨脉冲电场联合抑癌基因野生型p53基因诱导人宫颈癌hela细胞发生凋亡及相互作用.方法:采用空质粒及含有野生型p53的质粒转染Hela细胞得到Hela-vector、Hela-p53细胞,将Hela细胞、Hela-vector和Hela-p53细胞分别施加固定脉宽100 μs、频率1 Hz、脉冲数8个、电场强度为1 500 V/cm的脉冲电场处理.结果与结论:相同参数脉冲电场作用于各组细胞12 h后,MTT结果显示Hela-p53组细胞吸光度明显低于Hela组(P < 0.05);流式细胞仪及RT-PCR检测结果显示Hela-p53组的早期凋亡率和p53 mRNA表达较Hela组明显增加;Western bolt及激光共聚焦显微镜结果显示与Hela组比较,Hela-p53组细胞Bax蛋白表达明显上升,而Bcl-2蛋白则明显下降,Casepase-3相对荧光强度明显增强.表明野生型p53基因对宫颈癌Hela细胞生长有明显的抑制作用,野生型p53基因可以提高脉冲电场诱导宫颈癌Hela细胞凋亡的作用.

脊髓脉冲电场结合理疗治疗陈旧脊髓不全损伤后运动功能障碍

脉冲电场在医学中的基础研究及电穿孔的临床应用

脉冲电场利用方波直流脉冲发生器改变细胞膜的通透性,并在细胞膜上形成纳米级细孔,其被称为电穿孔,是一种新型微创技术,分为可逆电穿孔(reversible electroporation)及不可逆电穿孔(irreversible electroporation).在过去的四十年,电穿孔大量的实验研究及其自身的优点及先进性,使电穿孔相关的技术已被允许应用与临床.目前临床和实验中应用电穿孔的化疗药物已有十余种,通过电穿孔进行基因转染及DNA疫苗的研发已取得巨大成功.尤其近几年发展的非热能的不可逆电穿孔对实体肿瘤的消融作用,为肿瘤治疗提供新的思路,因其比其他局部治疗方法具有治疗时间短,减少间接热损伤,对毗邻主要血管的肿瘤组织有消融能力等优点引起了对不可逆电穿孔巨大的临床研究兴趣.本文就电穿孔的基本理论,电化学治疗,基因电转染及不可逆电穿孔的临床应用进行探讨.

不同斜率脉冲电场和磁场对全血粘度和凝血影响的比较研究

临床研究已证明多种疾病与血液粘度和凝血异常有关,高血粘和高凝血可导致或加速某些疾病的形成.探索通过物理方法降低血液粘度,改善凝血的机理,既有较高的理论价值,又有明显的社会效益.血液有形物质带电的多少与电荷分布对血液特性有较大的影响.高血粘和高凝血患者,带电状况较正常生理情况有所不同,单靠自身作用不能使其恢复正常.通过电磁场向电荷传递能量和其它非热作用,可能使电荷分布向正常生理状态转变.恒电场辐照,生物组织电极化使其内部电场很弱;恒磁场辐照,只能使分子电流磁矩方向趋向一致,对静电荷无力的作用;随时间变化的电场与磁场作用,血液内可以有很强的电磁场,△B/△t和△E/△t不同,产生的作用效果应不同.

脉冲电场对人卵巢癌SKOV3离体细胞与在体移植瘤的杀伤效应研究

目的 观察不同频率脉冲电场对离体人卵巢癌SKOV3的急性细胞毒性及对BALB/c裸鼠SKOV3皮下移植瘤的迟发性抑制效应,以探讨电场脉冲频率与急、慢性抑制效应间的量效关系.方法 首先梯度改变脉冲频率(1,60,1 000,5 000 Hz)和电压峰值(50,100,150,200,250,300,350,400 V),对SKOV3离体细胞悬液进行电击刺激.采用四甲基偶氮唑盐法(MTT)检测脉冲电场的急性细胞毒性效应;然后仅梯度改变电场脉冲频率(1,60,1 000,5 000 Hz),依次对28只BALB/c裸小鼠SKOV3皮下移植瘤进行电脉冲刺激,对照组(7只)皮下移植瘤仅插入电极,但未给予电脉冲刺激.采用体积抑瘤率来观察脉冲电场的迟发性抑瘤效应;采用光、电镜观察SKOV3组织学超微结构变化.结果 频率为1 Hz及5 kHz的脉冲电场对离体SKOV3有着相似的急性细胞毒性效应;各频率脉冲电场对小鼠皮下移植瘤的迟发性抑制效应亦无明显差异(P＞0.05);组织学分析发现各频率脉冲电场均对靶组织造成急性损伤效应,而且5 kHz脉冲电场还能诱导SKOV3离体细胞或在体瘤细胞凋亡.结论 5 kHz脉冲电场相对低频(1 Hz)脉冲电场并未减弱其对肿瘤组织的急、慢性抑制效应,并且还具有诱导细胞凋亡的二线杀伤效应.

不可逆性电穿孔对山羊肝脏靶区内血管结构的影响

目的:探讨不可逆性电穿孔(irreversible electroporation,IRE)对消融区域内血管结构的影响.方法:固定脉宽100 μs,频率1 Hz,电压2000V,脉冲数120个,彩色超声探头引导电极针经皮选择血管区域消融山羊肝脏组织,处理后24 h复查超声了解消融区内血管二维超声及多普勒血流影像学变化.对消融区内血管以及周边肝脏组织取材,行HE及Masson染色,通过组织病理学方法评价组织损伤情况.结果:IRE作用范围区域内肝脏组织被完全消融,而大体标本显示血管结构完好,超声影像提示消融区内直径为2.47 mm的血管连续性完整,走行清晰,彩色多普勒血流显像(color doppler flow imaging,CDFI)可以观察到血管内彩色多普勒血流频谱.血管组织学染色示内皮细胞连续性完好,血管周围胶原纤维、血管平滑肌结构完整.结论:IRE消融后靶区内肝脏小动脉、小静脉及肝内胆管结构无损伤,从而为生长在大血管周围、手术进行有困难的肿瘤消融提供可能.

亚致死剂量脉冲电场对HeLa细胞恶性生物学行为的影响

目的 研究亚致死剂量脉冲电场(pulse electric fields,PEFs)作用后HeLa细胞恶性生物学行为变化,探讨不可逆性电穿孔消融治疗是否有促进残留肿瘤细胞增殖、侵袭、转移的潜在可能.方法 利用电场强度为500、750、1000 V/cm的亚致死剂量PEFs分别作用于HeLa细胞,取正常野生株HeLa细胞作为对照.采取CCK8比色法检测细胞活性反映HeLa细胞增殖能力；基质胶黏附实验、Transwell小室体外侵袭实验和细胞迁移实验分别检测电场作用后HeLa细胞对基质的黏附能力、体外侵袭能力和细胞迁移能力的改变.结果 不同场强亚致死剂量PEFs作用后12、24、48、72 h,HeLa细胞的增殖与对照组比较无显著改变.场强为500、750、1000 V/cm的PEFs作用后,对HeLa细胞黏附抑制率分别为9.38％、30.21％和42.70％.对照组、500 V/cm组、750 V/cm组和1000V/cm组:体外侵袭穿透基质胶的细胞数分别为(104.17±4.59)、(101.82±5.76)、(78.39±6.18)、(67.91±5.94),其中750 V/cm组、1000 V/cm组明显少于对照组(P＜0.05)；细胞划痕修复率分别为(53.46±8.07)％、(48.75±9.13)％、(36.49±7.36)％、(30.58±5.91)％,对照组显著高于750 V/cm组和1000 V/cm组(P＜0.05).亚致死剂量PEFs对细胞的黏附、侵袭和迁移能力均呈现不同程度的抑制作用,其抑制效应和电场强度呈剂量依赖关系.结论 体外实验中亚致死剂量PEFs对HeLa细胞的增殖无显著影响,但能够对HeLa细胞的侵袭和转移能力产生不同程度的抑制作用.提示不可逆性电穿孔在体外即使不能一次性彻底消融HeLa细胞,短期内也不会促进残留细胞的恶性生物学行为.

脉冲电场诱导细胞凋亡机制及其在肿瘤治疗中应用前景展望

脉冲电场以其独特的生物电效应在肿瘤治疗等领域展示出良好的发展前景,并在国际上掀起了一股研究热潮.Weaver等[1-2]发现在场强为1 kV/cm级、脉宽为100 μs级的陡脉冲作用下,细胞膜出现微孔的同时电导率发生改变,当施加在细胞膜上的跨膜电位超过膜的绝缘强度时,电导率将激增,导致细胞膜阻碍微粒渗透能力降低,膜上出现亲水性孔道;当脉冲取消后,大多数情况下微孔会关闭而不会对细胞造成任何影响,这种细胞膜出现暂时微孔的物理过程称为电穿孔效应.

活体兔肝中脉冲电场分布模型的定性实验研究

通过观察频率、脉宽固定,电压峰值递增的脉冲电场对30只新西兰大白兔正常肝脏的杀伤效应,探讨在兔正常肝组织中建立脉冲电场分布模型的可行性,为临床电化学或电转基因治疗提供重要参考.采用重复实验及自身对照,脉冲处理3 d后取材HE染色,光镜下见低脉冲剂量时两电极周围呈同心圆形坏死、界限清晰;剂量增大则同心圆形坏死区亦增大,且渐变成椭圆梭形,两电极中点处肝细胞出现核固缩、碎裂、溶解样改变,后两椭圆梭形坏死相互重叠融合成不规则坏死,处理区尚见肝细胞的空化效应及肝组织缺血现象,实验所见与理论模拟的电场分布能较好吻合.因此,兔肝组织可作为脉冲电场生物组织杀伤效应研究中电场建模的有用载体,电脉冲在有效杀伤靶区组织的同时对周边正常组织是安全的.