納秒脈沖技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

陳新梅

山東中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院制藥系，山東 濟(jì)南 250355

納秒脈沖技術(shù)是近年來新興的前沿研究課題，它的迅速發(fā)展促進(jìn)了腫瘤治療的進(jìn)步。本文介紹了納秒脈沖技術(shù)的特點(diǎn)、作用原理以及在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 概述

目前生物學(xué)上傳統(tǒng)的電穿孔治療的研究多集中在脈沖電場(chǎng)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的種類發(fā)生改變，尚未涉及對(duì)細(xì)胞核DNA的作用。納秒脈沖(Nanosecond pulse)由于上升時(shí)間極短，不足以對(duì)細(xì)胞膜充電，而能量密度又高，可使電場(chǎng)透過細(xì)胞膜進(jìn)入內(nèi)部對(duì)細(xì)胞核等產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)核DNA等產(chǎn)生較強(qiáng)的破壞作用。脈沖時(shí)間達(dá)到納秒級(jí)，傳遞到組織和細(xì)胞的能量很小，細(xì)胞內(nèi)引起的熱效應(yīng)可忽略；輸入能量較低的前提下，由于作用時(shí)間達(dá)到千萬億分之一秒，產(chǎn)生的瞬態(tài)高功率脈沖可在不損害生物的前提下獲得更強(qiáng)的生物效應(yīng)；安全耐受、無并發(fā)癥。

微秒脈沖雖然可以導(dǎo)致細(xì)胞膜出現(xiàn)電穿孔，但膜上的微孔的形成是可逆的，在撤去電場(chǎng)后微孔能自行恢復(fù)，因此并不足以直接殺死腫瘤細(xì)胞；納秒脈沖不但能夠誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生可逆性電擊穿即電穿孔和內(nèi)處理效應(yīng)，而且在保證患者安全的前提下，將恰當(dāng)參數(shù)組合的脈沖引入到腫瘤組織中，使細(xì)胞發(fā)生不可逆性電擊穿效應(yīng)并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，達(dá)到殺傷腫瘤細(xì)胞的目的，同時(shí)還可誘發(fā)機(jī)體抗血管和淋巴轉(zhuǎn)移效應(yīng)、免疫效應(yīng)等，破壞腫瘤的生存條件，有效地減少腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移到其他部位的可能性，提高治療的有效性和安全性[1]。

納秒脈沖技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域內(nèi)初試鋒芒是在2002年世界十大科技進(jìn)展新聞評(píng)選中：科學(xué)家使用脈沖間隔為千萬億分之一秒的脈沖，分別對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的卵巢細(xì)胞和腎臟細(xì)胞進(jìn)行“連珠炮”式的“轟擊”，致使細(xì)胞膜上出現(xiàn)了一個(gè)孔徑極小的孔，順利地移植入目標(biāo)物質(zhì)。在此之后，細(xì)胞自身的生長(zhǎng)幫助細(xì)胞膜上的這個(gè)小孔再度“關(guān)閉”，使細(xì)胞結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常[2]。

2 在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 治療皮膚疾病(Dermatology disease)

用Q-Switched lasers治療病人額頭的痣。治療前額頭的痣顏色深、顯著；而用Q-Switched lasers治療后，顏色變淡，幾近消失[1]。

2.2 藥物轉(zhuǎn)運(yùn)(Drug delivery)

當(dāng)攜帶藥物的微粒通過細(xì)胞的內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)后，給細(xì)胞一定的納秒脈沖，能促使載藥微粒釋放藥物，從而達(dá)到藥物在細(xì)胞內(nèi)釋放的效果[3]。

2.3 腫瘤治療(Cancer therapy)

傳統(tǒng)腫瘤治療方法的機(jī)理在于殺傷腫瘤細(xì)胞并抑制其生長(zhǎng)與增殖，因而只能延緩腫瘤的進(jìn)展，不能達(dá)到治愈的目的。而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡能使腫瘤組織縮小甚至消失，減少對(duì)正常細(xì)胞的損害和治療過程中的不良反應(yīng)。因此，研究誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡方法及機(jī)制，對(duì)于腫瘤治療有著特別重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者已開始研究利用納秒脈沖技術(shù)用來治療皮膚癌[4]、前列腺癌[5]、黑色素瘤[6]、白血病[7]、卵巢癌[8]、肝癌[9]。

在惡性腫瘤細(xì)胞中，細(xì)胞核通常較大，并表現(xiàn)為多形性和染色質(zhì)增多，核仁數(shù)目增多，常規(guī)染色的腫瘤細(xì)胞中核仁深染并且增加。長(zhǎng)脈沖作用在細(xì)胞膜上，對(duì)細(xì)胞核、線粒體等細(xì)胞器基本沒有影響；隨著脈寬減小，電場(chǎng)透過細(xì)胞膜進(jìn)入內(nèi)部，對(duì)細(xì)胞核等產(chǎn)生影響；當(dāng)脈寬小到納秒級(jí)別時(shí)候，電場(chǎng)能穿過核膜對(duì)核仁等產(chǎn)生較強(qiáng)的破壞作用。當(dāng)周期性的脈沖作用于腫瘤細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞處于不斷的充放電動(dòng)態(tài)過程，從而在核中及其周圍形成電場(chǎng)，由于增生旺盛的腫瘤細(xì)胞核染色質(zhì)的介電常數(shù)與周圍原生質(zhì)的介電常數(shù)不等，必然造成腫瘤細(xì)胞核對(duì)納秒脈沖的高度敏感性，從而達(dá)到選擇性殺傷的目的，能殺傷并抑制惡性腫瘤生長(zhǎng)[10]。

2.4 醫(yī)學(xué)影像(Medical Imaging)

四川綿陽的西南科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院的傅佑麟等[11]將此技術(shù)應(yīng)用于人體內(nèi)部探測(cè)，取得一定的研究進(jìn)展。

除上述應(yīng)用之外，納秒脈沖技術(shù)對(duì)傷口愈合[12]、去除息肉、除脂（減肥）等方面也有一定的研究和應(yīng)用[13]。

3 商業(yè)化前景

Karl H.Schoenbach教授2004年在《Nature》預(yù)言：納秒脈沖將在近幾年內(nèi)可望實(shí)現(xiàn)臨床試驗(yàn)并逐步得到應(yīng)用，這種方法不需要藥物的輔助就能達(dá)到良好的殺滅腫瘤細(xì)胞的效果，可以避免炎癥、潰瘍和化學(xué)藥物等副作用[13]。

4 現(xiàn)存問題與展望

研究的腫瘤類型和藥物類型有限，僅限于頭頸癌、皮膚癌、胰腺癌、肝癌、黑色素瘤、卵巢癌等腫瘤，對(duì)其他腫瘤研究尚無報(bào)道；目前的研究大多為離體細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的報(bào)道少見；科研費(fèi)用昂貴，需要強(qiáng)大的資金后盾。

納秒脈沖技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用是電工學(xué)科與生命學(xué)科高度融合，是一項(xiàng)多學(xué)交叉的、綜合性、前沿研究課題。作為一種物理學(xué)領(lǐng)域嶄新發(fā)展起來的細(xì)胞干預(yù)手段，納秒超短脈沖在細(xì)胞內(nèi)的生物過程和機(jī)理都尚無深入研究，是一個(gè)充滿未知數(shù)的有趣研究方向。

[1]楊孝軍，胡麗娜，李均，等.低能陡脈沖致人卵巢癌SK0V-3細(xì)胞核DNA鏈斷裂損傷的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)用婦產(chǎn)科雜志，2004.

[2]楊曉燕，熊正愛，李成祥，等.陡脈沖不可逆性電擊穿治療兔肝臟腫瘤研究[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009.

[3]傅佑麟，劉桂華.應(yīng)用亞納秒沖激脈沖波探測(cè)人體內(nèi)部特性[J].現(xiàn)代雷達(dá).