纳秒脉冲靶向诱导肿瘤细胞内/外源性凋亡的作用机理研究

Targeted-induced tumor apoptosis is a major medical problem worldwide and an emerging research area. Based on the innovative idea of intrinsic and extrinsic tumor apoptosis can be caused by nanosecond pulsed electric filed (nsPEF), SKOV3 cell has been selected as the research object and electrical action mechanisms of nsPEF-induced tumor cell apoptosis will be deeply investigated; intrinsic and extrinsic apoptotic pathways of nsPEF-induced tumor cell apoptosis will be revealed; relational model between nsPEF parameters and intrinsic and extrinsic tumor cell apoptosis will be established. Finally, action mechanisms of nsPEF-induced intrinsic and extrinsic tumor cell apoptosis will be revealed, which will lay solid theoretical foundation for nsPEF in clinical tumor treatment.

靶向性诱导肿瘤凋亡是世界各国所面临的重大医学难题同时也是最具有发展前景的研究方向。本项目基于纳秒脉冲诱导肿瘤细胞内/外源性凋亡这一创新思路，选择人卵巢癌细胞SKOV3为研究对象，深入研究纳秒脉冲靶向诱导肿瘤细胞凋亡的电学作用机理；探明纳秒脉冲靶向诱导肿瘤细胞凋亡的内/外源性途径；建立纳秒脉冲电场参数与细胞内/外源性凋亡的关系模型，在此基础上，揭示纳秒脉冲电场诱导肿瘤细胞内/外源性凋亡的作用机理，从而为纳秒脉冲治疗肿瘤临床应用奠定理论基础。

靶向性诱导肿瘤凋亡是世界各国所面临的重大医学难题同时也是最具有发展前景的研究方向。本项目基于纳秒脉冲诱导肿瘤细胞内/外源性凋亡这一创新思路，选择人卵巢癌细胞SKOV3为研究对象，主要研究内容包括：纳秒脉冲靶向诱导肿瘤细胞凋亡的电学作用机理，纳秒脉冲靶向诱导肿瘤细胞凋亡的内/外源性途径，纳秒脉冲电场参数与细胞内/外源性凋亡的关系模型。取得的结果包括：建立了同时包含细胞各组分频率色散效应和细胞膜电穿孔效应的球形细胞双层介电模型，并计算了膜电位、微孔密度的时空分布规律，结果表明在电穿孔基础上引入色散效应，使得100ns、10kV/cm纳秒脉冲作用下细胞膜和细胞器膜开始发生电穿孔时间由14ns缩减为2ns，且胞膜及细胞器膜上2/3区域发生了电穿孔；采用脉宽50ns、100ns、200ns纳秒脉冲分别处理SKOV3细胞，通过Annexin-V/PI双染法和DNA ladder检测细胞凋亡率和坏死率，发现100ns作用下可获得最大的凋亡率及较小的坏死率；分别采用罗丹明123和TMRM作为荧光探针，利用激光共聚焦检测纳秒脉冲作用后线粒体膜电位和细胞膜膜电位，发现100ns脉冲作用下线粒体膜电位和细胞膜跨膜电位同时发生较明显变化(P<0.01)，采用Western blot分别检测100ns脉冲处理后细胞内源性凋亡因子Cyt-C、AIF、Caspase-3、Bcl-2/Bax和外源性凋亡因子Fas、FasL、Caspase-8、Bid蛋白表达，发现在该脉冲参数下细胞同时存在内源性和外源性凋亡途径，从而增大细胞凋亡率；通过对实验数据和仿真数据的分析发现，纳秒脉冲诱导SKOV3细胞凋亡具有明显的脉宽窗口效应，即存在一定脉宽的纳秒脉冲可同时作用于细胞膜和细胞器膜，同时激发内源性和外源性凋亡途径，诱导细胞最大程度凋亡。本项目的研究结果能够为纳秒脉冲临床肿瘤治疗及治疗样机的研制与优化提供理论指导，具有重要的科学意义和实用价值。