外電場(chǎng)作用下懸液中細(xì)胞膜電壓變化建模研究.pdf

1、細(xì)胞膜電壓是反映細(xì)胞生命活力和功能的一個(gè)良好指標(biāo)。在外加電場(chǎng)作用下，細(xì)胞膜電壓的改變導(dǎo)致了胞內(nèi)外離子的穿膜運(yùn)動(dòng)，打破了維持細(xì)胞正常生命活動(dòng)的離子分布的平衡狀態(tài)，從而引起細(xì)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(chǎng)作用下細(xì)胞膜電壓計(jì)算模型，掌握細(xì)胞膜電壓變化規(guī)律，對(duì)更好研究細(xì)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(chǎng)中單細(xì)胞膜電壓計(jì)算模型早為人們熟知。然而對(duì)于屬于多細(xì)胞系統(tǒng)的細(xì)胞懸液，細(xì)胞分布

2、的不均勻性、以及細(xì)胞間相互作用的復(fù)雜性，使得精確建立懸液中細(xì)胞膜電壓計(jì)算模型非常困難。為此，論文用場(chǎng)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(jì)算不同外加電場(chǎng)作用下的細(xì)胞懸液的有效電導(dǎo)率。然后根據(jù)Laplace方程確定細(xì)胞懸液中的平均場(chǎng)。再次用場(chǎng)近似等效方法，確定懸液中一個(gè)細(xì)胞局部的實(shí)際場(chǎng)分布和獨(dú)立處于外加場(chǎng)中單細(xì)胞場(chǎng)分布近似等效的條件。最后借助于單細(xì)胞膜電壓計(jì)算公式，建立了外電場(chǎng)作用下懸液細(xì)胞膜電壓近似計(jì)算模型。包括：

3、　　根據(jù)Maxwell、Bruggeman和Tobias等效公式，以及計(jì)算單細(xì)胞膜電壓的Schwan公式，建立了直流電場(chǎng)作用下，不同濃度均勻懸液中細(xì)胞膜電壓計(jì)算模型。用該模型計(jì)算了懸液細(xì)胞膜電壓并和其他學(xué)者的數(shù)值解進(jìn)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(shí)變場(chǎng)作用下，細(xì)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(diǎn)，根據(jù)時(shí)變場(chǎng)作用下單細(xì)胞膜電壓的第一、第二

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

5、的膜電壓計(jì)算模型表明，在外電場(chǎng)作用下，均勻懸液中細(xì)胞膜電壓變化除和外加場(chǎng)的大小、細(xì)胞半徑、細(xì)胞濃度以及細(xì)胞排列方式、場(chǎng)點(diǎn)位置有關(guān)外，對(duì)于時(shí)變場(chǎng)，膜電壓還和細(xì)胞膜介電常數(shù)以及膜內(nèi)外溶液的電導(dǎo)率有關(guān)(當(dāng)外加場(chǎng)頻率大于100KHz，細(xì)胞膜電壓還和細(xì)胞膜內(nèi)外液的介電常數(shù)有關(guān))；對(duì)于穿孔細(xì)胞，膜電壓變化還和細(xì)胞膜穿孔臨界角有關(guān)?！　』谒ǖ膽乙杭?xì)胞膜電壓計(jì)算模型，論文還建立了外電場(chǎng)作用下均勻懸液中細(xì)胞膜損耗功率計(jì)算模型。模型表明，細(xì)胞膜的損耗

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

7、算模型得到的結(jié)論一致。論文還根據(jù)所建的計(jì)算模型，從生物物理學(xué)的角度，對(duì)細(xì)胞膜電壓隨細(xì)胞濃度變化所呈現(xiàn)的非線性關(guān)系的機(jī)理進(jìn)行了探討。　　用流式細(xì)胞儀檢測(cè)毫米波輻射下，不同濃度K562細(xì)胞的凋亡率。結(jié)果表明，在相同輻射條件下，不同濃度細(xì)胞組對(duì)應(yīng)的細(xì)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(xì)胞膜電壓計(jì)算模型，用非熱效應(yīng)的觀點(diǎn)，通過(guò)討論細(xì)胞膜電壓改變對(duì)膜離子通透的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)中細(xì)胞濃度和細(xì)胞凋亡率的非線性關(guān)系進(jìn)行了探討，在一定程度

8、上對(duì)該計(jì)算模型進(jìn)行了間接的定性論證?！　㈤L(zhǎng)春新堿加入不同濃度的K562細(xì)胞懸液后，對(duì)懸液進(jìn)行電穿孔處理，最后檢測(cè)細(xì)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(duì)應(yīng)的細(xì)胞活力是不相同的。由于細(xì)胞穿孔的幾率和小孔孔徑和細(xì)胞膜電壓緊密相關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果間接說(shuō)明了細(xì)胞濃度和穿孔細(xì)胞膜電壓的密切關(guān)系，對(duì)論文所建的直流脈沖電場(chǎng)作用下穿孔細(xì)胞膜電壓計(jì)算模型進(jìn)行了間接論證。論文還根據(jù)所建的穿孔細(xì)胞膜電壓和膜損耗功率計(jì)算模型，用細(xì)胞生物