声孔效应中超声介导微泡在细胞边界的动力学模型研究

Ultrasound-mediated microbubbles enhance drug or gene transferring into cells by sonoporation. It has the advantages about non-invasive, and time-spatial domain controlling, while it has the disadvantages such as low transfer efficiency, and the parameters relied on cell experiments. Quantitative analyzing the microbubble dynamics mediated by ultrasound near cellular boundary is one key to solve the problems above. Considering that, the model of microbubble dynamics mediated by ultrasound near cellular boundary will be established by theoretical analysis and cell experiments in the project. Firstly, to establish the boundary element of microbubble, including buoyancy, Bjerknes force, and effects by another microbubble; Second, to estimate the cell mechanics parameters by experimental empirical data according to the cell characteristics like soft condensed matter, and to establish the finite element of cell; thirdly, to establish the microbubble dynamics model by coupling the microbubble boundary element and cell finite element, which will be testified by fluorescent staining and ultra-high speed microscope cell experiments; Fourthly, to quantitative analyze the sonoporation parameters by numerical calculation of the model, which include ultrasound exposure parameters, microbubble and cell parameters, buoyancy, Bjerknes force, cellular boundary position, and effects by another microbubble. To establish the model of microbubble dynamics mediated by ultrasound near cellular boundary in the project, the studies on microbubble dynamics will be expanded. To quantitative analyze the influence parameters in sonoporation, it will lay the foundations for solving the problems which sonoporation studies faced.

超声介导微泡对细胞产生声孔效应促进药物/基因转运，具有无创、时空可控等优势，但也存在转运效率低，参数优化依赖实验等问题。解决该问题的一个关键是定量分析超声介导微泡在细胞边界的动力学行为。本项目拟通过理论分析和细胞实验研究建立超声介导微泡在细胞边界的动力学模型，包括：包含浮力、Bjerknes力、附近存在另一微泡因素，建立微泡流场边界元；由细胞类软凝态特性和文献经验参数估算细胞力学参数，建立细胞有限元；全耦合边界元—有限元，建立模型；在细胞破膜荧光染色实验确定的参数范围内，通过超高速显微摄像实验对比验证微泡动力学行为，完善模型；由模型数值计算，定量分析声孔效应中超声、微泡、细胞等参数及浮力、Bjerknes力、细胞边界位置、附近另一微泡等因素。本项目建立超声介导微泡在细胞边界的动力学模型，拓展了微泡动力学研究；定量分析声孔效应中影响微泡动力学的重要因素，为解决声孔效应研究面临的问题奠定基础。

针对超声介导微泡对细胞产生声孔效应促进药物/基因转运中存在的转运效率低，参数优化依赖于实验等问题，本项目提出建立模型定量分析超声介导微泡在细胞边界的动力学行为并对其进行了系统研究。经过本项目研究，给出了超声介导微泡在细胞边界的动力学模型，该模型结合了非稳态Bernoulli方程和Kelvin Voigt 模型，为声孔效应的参数优化和对应效果提供了理论基础。改进体外细胞实验平台和实验方案，通过对比模型数值模拟结果和体外细胞实验的参数分析结果，优化了微泡在细胞膜边界的动力学模型中的参数。通过建立和优化的动力学模型，提出了超声声压、超声频率、微泡与细胞膜边界的距离、微泡外壳的粘滞系数和表面张力、微泡内气态、细胞膜结构和表面张力、细胞内外粘滞性等可能是影响微泡动力学的重要参数；给出了在不同参数条件下，微泡在细胞膜边界会产生包括稳态振动、非球形形变、朝向和背向细胞膜微射流等的典型动力学行为；还分析了在不同参数条件下，特别是不同超声照射声压和频率条件下，超声介导微泡在细胞边界动力学行为的改变，以及对附近细胞膜产生声孔效应的可能性。在建立和优化模型的基础上，更进一步建立了在超声场中两个相邻稳态空化的微泡动力学模型，研究了在相邻振动微泡给予的Bjerknes力作用下，微泡给予细胞膜的作用力及其对声孔效应的影响。在活体动物实验上，初步了解了超声介导微泡对药物转运的效果，活体动物实验表明由理论指导的参数选择具有一定的优化意义。上述工作为声孔效应中超声介导微泡在细胞边界的动力学研究，为微泡对细胞膜的特别是能引起声孔效应的力学作用的研究，为体外细胞实验和活体动物实验的参数研究，提供了理论依据和一定的技术支撑，对声孔效应技术的发展具有一定科学意义。