外電場作用下懸液中細胞膜電壓變化建模研究.pdf

1、細胞膜電壓是反映細胞生命活力和功能的一個良好指標。在外加電場作用下，細胞膜電壓的改變導(dǎo)致了胞內(nèi)外離子的穿膜運動，打破了維持細胞正常生命活動的離子分布的平衡狀態(tài)，從而引起細胞產(chǎn)生有利于或不利于其存活的生理和生化狀態(tài)的改變。因此，建立外電場作用下細胞膜電壓計算模型，掌握細胞膜電壓變化規(guī)律，對更好研究細胞電磁生物效應(yīng)及其在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。外電場中單細胞膜電壓計算模型早為人們熟知。然而對于屬于多細胞系統(tǒng)的細胞懸液，細胞分布

2、的不均勻性、以及細胞間相互作用的復(fù)雜性，使得精確建立懸液中細胞膜電壓計算模型非常困難。為此，論文用場近似等效方法，初步解決了該建模難題。首先根據(jù)有效介質(zhì)理論，計算不同外加電場作用下的細胞懸液的有效電導(dǎo)率。然后根據(jù)Laplace方程確定細胞懸液中的平均場。再次用場近似等效方法，確定懸液中一個細胞局部的實際場分布和獨立處于外加場中單細胞場分布近似等效的條件。最后借助于單細胞膜電壓計算公式，建立了外電場作用下懸液細胞膜電壓近似計算模型。包括：

3、　　根據(jù)Maxwell、Bruggeman和Tobias等效公式，以及計算單細胞膜電壓的Schwan公式，建立了直流電場作用下，不同濃度均勻懸液中細胞膜電壓計算模型。用該模型計算了懸液細胞膜電壓并和其他學(xué)者的數(shù)值解進行比較，結(jié)果基本符合?！　』贛axwell-Wagner和Bruggeman-Hanai等效公式，考慮不同外加時變場作用下，細胞膜以及膜內(nèi)外溶液的電導(dǎo)率和介電常數(shù)取值不同的特點，根據(jù)時變場作用下單細胞膜電壓的第一、第二

4、以及擴展的第二計算模型，分別建立了頻率f≤100KHz；100KHz≤f≤100MHz；f≥100MHz時，外加時變場作用下均勻懸液中細胞膜電壓計算模型?！　♂槍Υ┛讜r細胞膜電導(dǎo)率大幅度增加且不均勻分布的特點，用電導(dǎo)率均勻分布的小球等效每個穿孔細胞，然后用Maxwell和Tobias等效公式，確定不同濃度下懸液中穿孔細胞的平均場，再基于穿孔單細胞膜電壓計算公式，建立了強直流脈沖電場作用下均勻懸液中穿孔細胞膜電壓計算模型。　　論文所建

5、的膜電壓計算模型表明，在外電場作用下，均勻懸液中細胞膜電壓變化除和外加場的大小、細胞半徑、細胞濃度以及細胞排列方式、場點位置有關(guān)外，對于時變場，膜電壓還和細胞膜介電常數(shù)以及膜內(nèi)外溶液的電導(dǎo)率有關(guān)(當外加場頻率大于100KHz，細胞膜電壓還和細胞膜內(nèi)外液的介電常數(shù)有關(guān))；對于穿孔細胞，膜電壓變化還和細胞膜穿孔臨界角有關(guān)?！　』谒ǖ膽乙杭毎る妷河嬎隳Ｐ?，論文還建立了外電場作用下均勻懸液中細胞膜損耗功率計算模型。模型表明，細胞膜的損耗

6、功率和外電場大小，細胞膜以及膜內(nèi)外溶液的電導(dǎo)率和介電常數(shù)、細胞半徑、細胞濃度以及細胞排列方式有關(guān)。細胞膜損耗功率計算模型的建立，為細胞電磁生物效應(yīng)的機理研究提供了理論基礎(chǔ)。　　論文還進行了相關(guān)實驗，在一定程度上對所建均勻懸液中細胞膜電壓計算模型進行了定性論證。實驗內(nèi)容為：　　利用細胞膜電壓熒光探針，研究了毫米波輻射過程中，不同濃度的K562細胞的膜電壓變化規(guī)律。結(jié)果表明，細胞濃度是影響細胞膜電壓變化的一個重要因素，和根據(jù)所建膜電壓計

7、算模型得到的結(jié)論一致。論文還根據(jù)所建的計算模型，從生物物理學(xué)的角度，對細胞膜電壓隨細胞濃度變化所呈現(xiàn)的非線性關(guān)系的機理進行了探討。　　用流式細胞儀檢測毫米波輻射下，不同濃度K562細胞的凋亡率。結(jié)果表明，在相同輻射條件下，不同濃度細胞組對應(yīng)的細胞調(diào)亡率是不相同的。論文還根據(jù)所建的毫米波作用下懸液細胞膜電壓計算模型，用非熱效應(yīng)的觀點，通過討論細胞膜電壓改變對膜離子通透的影響，對實驗中細胞濃度和細胞凋亡率的非線性關(guān)系進行了探討，在一定程度

8、上對該計算模型進行了間接的定性論證。　　將長春新堿加入不同濃度的K562細胞懸液后，對懸液進行電穿孔處理，最后檢測細胞的活力。結(jié)果表明，在相同的藥物處理和電穿孔條件下，不同濃度組對應(yīng)的細胞活力是不相同的。由于細胞穿孔的幾率和小孔孔徑和細胞膜電壓緊密相關(guān)，實驗結(jié)果間接說明了細胞濃度和穿孔細胞膜電壓的密切關(guān)系，對論文所建的直流脈沖電場作用下穿孔細胞膜電壓計算模型進行了間接論證。論文還根據(jù)所建的穿孔細胞膜電壓和膜損耗功率計算模型，用細胞生物