超细微等离子体射流对癌细胞的作用及机理研究

In recent years, with the rapid development of atmospheric pressure plasma technology, it has been shown to be potentially useful for bacteria inactivation, teeth whitening, especially cancer treatment. However, there still exist many problems, including large plasma plume area, poor targeted delivery, uncontrollable clinical operations, difficult diagnosis for reactive species and unclear anticancer mechanism and other issues. In this work, we designed a high-precision and high flexibility micro hollow optical fiber plasma discharge device. Temporal and space dynamics will be diagnosed by high-resolution spectroscopy, ICCD high-speed camera, fast pulse high voltage probe diagnostic instruments. The discharge characteristics (plasma plume length, gas temperature, electron density, Lissajous figures) will be studied on fiber size, discharge structure and gas flow. After plasma treatment, the cell morphology and life cycle during apoptosis will be observed through online real-time monitoring platform, scanning probe microscopy and laser confocal microscopy, and combined with flow cytometry to judge the progress of apoptosis, in order to find the relationship between the discharge conditions and apoptosis. This program provides theoretical and experimental basis for the development of plasma physics and biomedicine and valuable reference for the plasma medicine toward clinical application.

近几年，随着大气压等离子体技术的飞速发展，等离子体在细菌灭活，牙齿美白，尤其是癌症治疗方面具有广阔的应用前景。然而，目前仍存在等离子体尺寸较大、靶向性差、临床操作可控性差、反应粒子较难诊断，放电机制与抗癌机制尚不明确等问题。在本课题中，我们设计一种高精确度、高灵活性的微米级空心光纤等离子体放电装置；利用高分辨光谱仪、ICCD高速摄像机、快脉冲高压探头等仪器诊断等离子体羽的时空动力学特性；研究光纤尺寸、放电结构和气体流量对微等离子体放电特性（等离子体羽长度、气体温度、电子密度、李萨如图形等）的影响；通过在线实时监控平台、扫描探针显微镜和激光共聚焦显微镜，观察等离子体处理后细胞凋亡过程中的形态结构和生命活动，并结合流式细胞仪等仪器评判细胞凋亡的进展情况，从而找到放电条件与细胞凋亡之间的关系。本课题的研究，为等离子体物理和生物医学的发展提供理论和实验基础，为等离子体走向临床应用提供有价值的参考。

随着大气压等离子体技术的飞速发展，等离子体在细菌灭活，牙齿美白，尤其是癌症治疗方面具有广阔的应用前景。然而，目前仍存在等离子体尺寸较大、靶向性差、临床操作可控性差、反应粒子较难诊断，放电机制与抗癌机制尚不明确等问题。针对这一现状，我们设计了一种高精确度、高灵活性的微米级空心光纤等离子体放电装置。利用高分辨光谱仪、高速摄像机、快脉冲高压探头等仪器诊断等离子体羽的时空动力学特性；研究光纤尺寸、放电结构和气体流量对微等离子体放电特性的影响；通过在线实时监控平台、扫描探针显微镜等仪器观察等离子体处理后细胞凋亡过程中的形态结构和生命活动，评判细胞凋亡的进展情况，从而找到放电条件与细胞凋亡之间的关系，揭示出超细微等离子体对癌细胞的作用机理。.重要结果：.(1) 设计并加工了内径为微米级的空心光纤管作为放电装置的主体的超细微等离子体放电装置。在内径尺寸非常小，工作气体流量非常低的条件下，仍然能产生比较稳定的等离子体射流，等离子体羽的长度介于10-50毫米之间。通过高压探头测得的电流电压波形图显示微等离子体放电属于介质阻挡放电中的丝状放电模式。.(2) ICCD拍摄到的图像显示，等离子体射流由子弹样的小光球快速运动形成。比较了不同空心光纤尺寸，放电条件等对微等离子体的形成机制、动力学特性的影响。发现微等离子体放电装置在空心光纤中产生了高密度微等离子体，且微等离子体在空心光纤中的传播与气体流量有密切关系，随着流量增加，微等离子体长度会迅速增加。.(3) 观察并记录了被等离子体处理后的癌细胞在凋亡过程中的形态结构变化，包括大小、形状、细胞骨架以及细胞之间的连接，结果发现癌细胞多阶段的凋亡现象，细胞脱水、变圆、体积缩小、连接消失，骨架崩解。利用核染法观察了癌细胞核染色质的形态学变化，评判了癌细胞凋亡的进展情况。通过光谱分析揭示了超细微等离子体对癌细胞的作用机理，表明氧原子和含氧的活性粒子在诱导癌细胞凋亡过程中发挥了关键作用。