基于声磁电效应的细胞功能调控新方法研究

论文摘要

近年来,利用声、光、磁等物理能量,以微创、甚至无创的办法治疗肿瘤成为肿瘤治疗的研究热点之一。随着超声场以及磁场生物效应的逐步揭示,如何将声磁结合开发一种新型的肿瘤治疗技术倍受关注。因此,本研究基于超声联合磁场产生洛仑兹力进而诱导电荷分离的声磁电现象,提出了一种结合超声毫米级分辨率与声磁无创性物理场等优势的肿瘤细胞调控技术,并从活细胞水平对这种新型技术进行了验证与研究。本课题研发的声磁电激励系统主要由高强度聚焦超声（1.1 MHz中心频率,1.1或2.2MPa负声压,45μs脉冲宽度,1kHz脉冲重复频率）、平行静磁场（50×50×30 mm3钕铁硼体,680±20mT磁场强度）与自主设计声磁兼容活细胞样品皿组成。为了半定量测量活细胞功能的变化,分别利用相应的荧光探针对活细胞进行标记。进一步使用倒置荧光显微镜对细胞的膜电位、生化信号和生长情况进行记录。最后通过显微镜图像分析软件和数据统计分析软件对声磁电效应调控细胞功能的可行性和有效性进行验证。在细胞膜电位调控方面,我们发现声磁激励导致标记膜电位的DiBAC4（3）荧光探针的强度降低,表明细胞膜电位超极化,并且声磁激励时使用2.2MPa超声波压力引起的荧光强度变化幅度（57.92%±1.04%）比1.1MPa超声压力引起的（47.89%±1.14%）更大,然而单独超声激励、单独磁场激励均未引起较大幅度的变化,证实了声磁激励在调节膜电位方面的有效性。我们进一步研究了声磁激励对膜超极化从0到10分钟的缓慢累积效应,我们发现更长的激励时间会导致更大的细胞膜电位超极化。针对不同类型的细胞进行膜电位声磁激励检测,研究发现,不同类型的细胞膜电位对声磁激励后的响应具有显著的差异性。在细胞器膜电位层面,我们研究了线粒体膜电位在声磁激励后的变化,其结果与细胞膜电位的响应一致,出现了超极化,并且超极化程度与声压成正相关。在细胞生化信号调控方面,我们发现声磁激励导致细胞内两个重要的信号分子Ca2+和NO的浓度发生显著提高,此外,与线粒体状态相关的ROS（活性氧）信号水平在声磁激励后也存在浓度提高;特别的是,我们发现声磁激励诱导细胞质的H+浓度增加,胞内pH降低,细胞内发生酸化。在细胞的生长调控方面,我们发现声磁激励（10分钟/天,总共3天）有效地将N2a肿瘤细胞的生长速度下调48.64%。而在分别结合敏化剂5-ALA、诱导分化剂RA、抗癌药DOX后,仅声磁激励结合RA对肿瘤细胞的抑制效果表现出协同作用,可以有效抑制肿瘤细胞N2a的生长。本论文的工作验证了磁声激励可以对肿瘤细胞的膜电位、信号水平和生长速度进行有效调控,声磁激励的方法在肿瘤物理治疗领域具有巨大的潜力,有望为肿瘤的临床治疗提供一种新型技术支持。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 背景概述

1.2 膜电位与细胞凋亡的关系

1.3 国内外研究现状

1.3.1 超声作用于肿瘤细胞的研究

1.3.2 磁场作用于肿瘤细胞的研究

1.3.3 微电流作用于肿瘤细胞的研究

1.3.4 声磁电研究

1.4 研究目的与内容

第2章理论与方法

2.1 声磁电理论

2.1.1 声磁电基本原理

2.1.2 声磁电理论推导

2.2 声磁电激励系统的总体设计

2.2.1 超声换能器及磁场的选择

2.2.2 声磁电激励系统的搭建

2.2.3 声磁电激励装置的设计与构建

2.2.4 声场与磁场的测量及位置选择

2.3 声磁电激励位点的声磁电信号检测

2.4 细胞培养与可浸入式声磁激励活细胞样品皿研制

2.4.1 细胞培养

2.4.2 可浸入式声磁激励活细胞样品皿研制

2.5 细胞功能调控实验方法概述

2.5.1 制备细胞样品

2.5.2 细胞样品的荧光标定

2.5.3 声磁电调控

2.5.4 图像的获取、测量与统计分析

2.6 本章小结

第3章声磁电效应对细胞电位的调控研究

3.1 细胞膜电位的声磁电调控结果

3.2 不同激励时间的细胞膜电位声磁电调控结果

3.3 不同类型的细胞膜电位研究

3.4 不同电导率环境下的细胞膜电位声磁电调控结果

3.5 线粒体膜电位的声磁电调控结果

3.6 本章小结

第4章声磁电效应对细胞生化信号的调控研究

4.1 细胞内ROS含量的声磁电调控结果

2+浓度的声磁电调控结果'> 4.2 细胞内Ca²⁺浓度的声磁电调控结果

4.3 细胞内NO浓度的声磁电调控结果

4.4 细胞内pH的声磁电调控结果

4.5 本章小结

第5章声磁电效应对肿瘤细胞的生长调控研究

5.1 单独声磁激励抑制肿瘤细胞生长的结果

5.2 声磁激励结合敏化剂抑制肿瘤细胞生长的结果

5.3 声磁激励结合分化诱导剂抑制肿瘤细胞生长的结果

5.4 声磁激励结合抗癌药抑制肿瘤细胞生长的结果

5.5 本章小结

第6章总结与展望

6.1 总结

6.2 本论文的主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王艳城

导师: 胡亚欣,刘成波

关键词: 超声,静磁场,膜电位,生化信号,生长速度

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 物理学,物理学,生物医学工程

单位: 深圳大学

基金: 国家重大科研仪器设备研制专项“基于声辐射力-洛伦兹力的超声-磁电双模成像方法与仪器研制(61427806)”,深圳市基础项目“基于声致穿孔效应的新型疫苗经皮递送关键技术研究(81501490)”

分类号: R318;O426.9;O441

DOI: 10.27321/d.cnki.gszdu.2019.000427

总页数: 74

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