磁性纳米微粒调控的细胞声孔效应机制研究

Magnetic cells opened a new possibility for cell operation,but the nature state magnetic particles hard to upload by cells for cell membrane permselectivity. Microbubbles enhanced sonoporation has the potential to be a non-viral transfection tool to deliver drug and targeted therapy. But the possible mechanisms of the sonoporation has not been understood by now.This item cavitation activity in water-particle suspensions was controlled by the number of microparticls and inertial cavitation was promoted by a multifrequency focused ultrasound beam. Sonoporation uses ultrasound to generate transient nonselective pores on the cell membrane and has been exploited as a nonviral intracellular drug delivery strategy.As a sample,we have uploaded magnetic nanoparticles into hepatoma cells by ultrsound,if the membrane potential,the number of pores and the size distribution of pores have to be known, the effects of microbubble on permeability of membrane and the way of endocytosis and the physical mechanisms of sonoporation will be obtained. This work lays a foundation for cell labeling in vivo.

将氧化铁纳米磁性微粒装载进入细胞使其成为磁性细胞，为细胞操作打开了一个新的可能性,但细胞膜选择透过性使自然状态下的磁性微粒难以进入细胞内。微泡增强的声孔效应在药物输送、靶向治疗等方面有巨大的应用潜力，但因超声和细胞作用机制不清楚而使应用受阻。本项目利用纳米微粒吸附微泡，通过控制微粒尺寸、浓度等条件，控制微泡数量并用复频聚焦超声启动和调控混悬液空化程度；以小鼠离体H-22细胞磁标记实验为例证，研究微粒增强空化的规律；基于流体动力学和微泡动力学理论，对空化场中微粒运动规律、微泡在近壁附近溃灭产生的微射流、剪应力等进行数值模拟，结合实验过程中细胞电生理评价、显微观察和测试结果，建立超声-微粒-细胞间相互作用模型，揭示超声提高纳米微粒转运效率的机制，为实现活体细胞快速磁性标记应用奠定基础。

一、背景：声孔效应是指在包膜造影剂协助下超声可以瞬时把细胞膜打开，将大分子通过声激发进入细胞，停止超声波作用后细胞膜的结构又恢复常态。声孔效应在药物输送、靶向治疗及细胞标记等生物医学领域有着巨大应用潜力。一般认为，微泡的非线性振动产生的声微流、射流引起的剪切力是造成细胞膜穿孔的主要原因，对空化效应的调控最有效的途径就是控制空化泡、泡群振动行为。.二、研究内容：研究一种新型的基于磁性纳米微粒的声孔效应调控机制和方法。内容主要包括功能性磁性纳米微粒的制备、多泡体系中气泡耦合振动特性、含微粒液体、磁流体及导电流体等复杂流体中单泡及多泡动力学特性等。.三、重要结果： 1）开发出一种表面修饰的荧光磁性高分子复合微球的制备方法与技术。2）磁性微粒可增加泡振动的稳定性，磁性磁性微粒表面结构、尺寸、含量等都对空化剂量产生影响；3）外磁场对水、磁流体及液态金属流体中气泡振动有阻尼效应，作用强弱与流动参数及磁场方向、强度等有关；4）对一均匀的多泡系统，气泡间耦合振动增加了系统对每个气泡的约束，增强了泡群振动的非线性；随着气泡数密度的增加气泡振动受到的抑制增强，但耦合振动延长了多气泡系统空化泡崩溃发生的时间间隔，增大了其作用范围。.四、关键数据：开发出一种制备表面修饰的荧光磁性高分子复合微球独特工艺及参数；强磁场对气泡振动具有阻尼效应，磁场下限至少应大于等于0.5T；在同样的声条件、泡群尺寸以及气泡内外环境下, 初始半径小于5μm的气泡具有较强的声响应，更适合于药物输送。.五、科学意义：空化效应的调控对所有基于空化应用的领域都具有现实意义。血液、组织液等均是生物磁流体，利用外磁场对磁流体运动进行干扰从而引起流体中微泡动力学改变。这不仅给细胞磁性标记提供途径，还给了我们一种研究磁性微泡即将磁性纳米微粒粘附或镶嵌在微泡表面成为磁共振/超声双模成像新型材料提供新视角，磁性微泡动力特性已成为近年研究热点。