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)藥大學藥學院制藥系，山東 濟南 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)展促進了腫瘤治療的進步。本文介紹了納秒脈沖技術(shù)的特點、作用原理以及在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 概述

目前生物學上傳統(tǒng)的電穿孔治療的研究多集中在脈沖電場致細胞膜結(jié)構(gòu)的種類發(fā)生改變，尚未涉及對細胞核DNA的作用。納秒脈沖(Nanosecond pulse)由于上升時間極短，不足以對細胞膜充電，而能量密度又高，可使電場透過細胞膜進入內(nèi)部對細胞核等產(chǎn)生影響，尤其是對核DNA等產(chǎn)生較強的破壞作用。脈沖時間達到納秒級，傳遞到組織和細胞的能量很小，細胞內(nèi)引起的熱效應(yīng)可忽略；輸入能量較低的前提下，由于作用時間達到千萬億分之一秒，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的生物效應(yīng)；安全耐受、無并發(fā)癥。

微秒脈沖雖然可以導致細胞膜出現(xiàn)電穿孔，但膜上的微孔的形成是可逆的，在撤去電場后微孔能自行恢復，因此并不足以直接殺死腫瘤細胞；納秒脈沖不但能夠誘導腫瘤細胞發(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，將恰當參數(shù)組合的脈沖引入到腫瘤組織中，使細胞發(fā)生不可逆性電擊穿效應(yīng)并誘導細胞凋亡，達到殺傷腫瘤細胞的目的，同時還可誘發(fā)機體抗血管和淋巴轉(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年世界十大科技進展新聞評選中：科學家使用脈沖間隔為千萬億分之一秒的脈沖，分別對兩種實驗動物的卵巢細胞和腎臟細胞進行“連珠炮”式的“轟擊”，致使細胞膜上出現(xiàn)了一個孔徑極小的孔，順利地移植入目標物質(zhì)。在此之后，細胞自身的生長幫助細胞膜上的這個小孔再度“關(guān)閉”，使細胞結(jié)構(gòu)恢復正常[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(Drug delivery)

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

2.3 腫瘤治療(Cancer therapy)

傳統(tǒng)腫瘤治療方法的機理在于殺傷腫瘤細胞并抑制其生長與增殖，因而只能延緩腫瘤的進展，不能達到治愈的目的。而誘導腫瘤細胞凋亡能使腫瘤組織縮小甚至消失，減少對正常細胞的損害和治療過程中的不良反應(yīng)。因此，研究誘導腫瘤細胞凋亡方法及機制，對于腫瘤治療有著特別重要的意義。目前，國內(nèi)外的學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]。

在惡性腫瘤細胞中，細胞核通常較大，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)染色的腫瘤細胞中核仁深染并且增加。長脈沖作用在細胞膜上，對細胞核、線粒體等細胞器基本沒有影響；隨著脈寬減小，電場透過細胞膜進入內(nèi)部，對細胞核等產(chǎn)生影響；當脈寬小到納秒級別時候，電場能穿過核膜對核仁等產(chǎn)生較強的破壞作用。當周期性的脈沖作用于腫瘤細胞時，細胞處于不斷的充放電動態(tài)過程，從而在核中及其周圍形成電場，由于增生旺盛的腫瘤細胞核染色質(zhì)的介電常數(shù)與周圍原生質(zhì)的介電常數(shù)不等，必然造成腫瘤細胞核對納秒脈沖的高度敏感性，從而達到選擇性殺傷的目的，能殺傷并抑制惡性腫瘤生長[10]。

2.4 醫(yī)學影像(Medical Imaging)

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

除上述應(yīng)用之外，納秒脈沖技術(shù)對傷口愈合[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》預言：納秒脈沖將在近幾年內(nèi)可望實現(xiàn)臨床試驗并逐步得到應(yīng)用，這種方法不需要藥物的輔助就能達到良好的殺滅腫瘤細胞的效果，可以避免炎癥、潰瘍和化學藥物等副作用[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，對其他腫瘤研究尚無報道；目前的研究大多為離體細胞實驗，在體動物實驗的報道少見；科研費用昂貴，需要強大的資金后盾。

納秒脈沖技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用是電工學科與生命學科高度融合，是一項多學交叉的、綜合性、前沿研究課題。作為一種物理學領(lǐng)域嶄新發(fā)展起來的細胞干預手段，納秒超短脈沖在細胞內(nèi)的生物過程和機理都尚無深入研究，是一個充滿未知數(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細胞核DNA鏈斷裂損傷的實驗研究[J].實用婦產(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].西南大學學報(自然科學版)，2009.

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