基于太赫兹自由电子激光的非热肿瘤消融机理研究

Non-thermal tumor ablation technology based on short pulsed electric field can overcome the shortcomings of thermal ablation and cryoablation, and provide new opportunities for the development of cancer therapy. Researchers have found that the steeper the rising edge of the pulse, the easier it is to act inside the cell, and even induce the body's anti-cancer immune response. However, due to the limitations of the traditional pulse power supply technology, the pulse width can only be achieved in picosecond order, which makes it difficult to achieve shorter pulse and steeper pulse rising edge. Terahertz (THz) free electron laser (FEL) can solve this problem. Based on the THz-FEL device CTFEL, the ablation mechanism of non-thermal tumors will be studied by using the time series of macro-pulse and micro-pulse of the device. Through theoretical simulation, cell experiments and animal experiments, the non-thermal biological effects of tumor cells in vitro and tumor tissues in vivo induced by high-field terahertz radiation will be studied, and the understanding of apoptosis and tumor ablation induced by high-field terahertz radiation will be deepened. The possible triggering immune mechanism will be explored, which provide new means and methods for the research of non-thermal tumor ablation technology. The research results will provide a feasible reference for the clinical application of terahertz radiation in tumor ablation.

基于短脉冲强电场的非热肿瘤消融技术能够克服热消融和冷冻消融的缺陷，为肿瘤治疗领域的发展提供了新的机遇。研究人员发现越陡峭的脉冲上升沿就越容易作用到细胞内部，甚至可以诱发机体抗癌免疫反应。但是由于传统脉冲电源技术的局限性，只能将脉冲宽度做到皮秒级，在实现更短脉冲和更陡峭脉冲上升沿时遇到了很大困难。太赫兹自由电子激光正好可以解决这个问题。本项目在中物院太赫兹自由电子激光装置CTFEL基础上，利用该装置特有的宏脉冲-微脉冲时间序列，开展非热肿瘤消融机理的研究。通过理论仿真、细胞实验和动物实验，研究强场太赫兹辐射作用下离体肿瘤细胞和在体肿瘤组织的非热生物效应，加深对强场太赫兹辐射诱导的细胞凋亡和肿瘤消融过程的理解，探索可能触发的免疫机制，为非热肿瘤消融技术的研究提供新的手段和方法。研究成果将为太赫兹辐射用于肿瘤消融的临床应用提供可行性参考。

与常规的热消融和冷冻消融技术相比，基于短脉冲强电场的非热肿瘤消融技术具有非热、微创、快速等特点，是一种强大而灵活的新型肿瘤消融技术，为肿瘤治疗领域的发展提供了新的机遇。国内外对这种技术及其应用的研究非常重视。我们针对常规脉冲电源技术在实现超短脉冲强电场方面遇到的困难，提出利用太赫兹自由电子激光来解决这个问题，开展基于太赫兹自由电子激光的非热肿瘤消融机理研究。首先，构建细胞模型，通过仿真发现太赫兹波的电场能够引起细胞膜结构两侧较大的电势差，为后续实验提供了参考。而后，基于中国工程物理研究院的太赫兹自由电子激光装置CTFEL（CAEP THz FEL）所产生的单频点、高功率太赫兹自由电子激光（THz-FEL），搭建太赫兹波辐射离体细胞光路和生物实验平台，分别辐射小鼠黑色素瘤细胞（B16细胞）和大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞（PC-12细胞），研究发现THz-FEL可能造成细胞生物膜的穿孔、干扰细胞内物质合成过程，从而破坏了细胞内的稳态环境，非热地诱导细胞凋亡；在此基础上，搭建了太赫兹波辐射小鼠肿瘤组织光路和实验平台，展开了THz-FEL非热肿瘤消融实验，研究发现THz-FEL通过非热效应诱导小鼠黑色素瘤组织细胞凋亡的同时，可能增强了小鼠对黑色素瘤的免疫功能，从而实现肿瘤组织的非热消融。综合上述结果，本研究得到了许多有价值的实验结果，具有很好的科学意义，为太赫兹辐射用于肿瘤消融的临床应用提供可行性参考。