重庆大学米彦教授团队：脉冲电场对细胞膜电穿孔面积的影响研究

脉冲电场是一种有效治疗肿瘤的方法，其原理是细胞电穿孔。目前在实验中通常采用细胞活性、细胞凋亡坏死率等间接的表征参量以衡量细胞电穿孔效应，为了能够在实验中找到一种直接的表征参量，重庆大学米彦教授团队提出了电穿孔面积这一新的表征参量及其实验测量方法，结果证实了该实验方法的可行性。

研究背景

在仿真中通常与电穿孔程度直接相关的表征参量为跨膜电压、电流密度、微孔密度、微孔半径和微孔面积等，这些参量与微孔直接相关。而在实验中通常是从宏观上表征电场对细胞的杀伤效果或整体情况，与形成的微孔多少和大小等具体参量并不等效，也并不能直接地表征电穿孔效应，进而也不易建立仿真和实验的密切联系。

论文所解决的问题及意义

为找到一种能够直接衡量电穿孔效应的参量及实验测量方法，本文基于分子传输过程，通过开展PI 分子荧光染色实验测量出细胞膜电穿孔面积，并研究不同脉冲电场参数对电穿孔面积的影响，为脉冲电场临床治疗提供了指导。

论文方法及创新点

1.细胞膜电穿孔面积测量原理

图1 电穿孔面积测量原理

2.细胞电穿孔处理

对A375细胞溶液施加脉冲电场，并在荧光显微镜下实时观察电场处理过程中细胞的荧光强度变化。

图2 实验装置示意图

3.实验结果

图3 不同脉冲电场参数下细胞平均荧光强度随时间变化曲线及电穿孔面积

从图3可以看出，当改变脉冲电场强度和脉冲电场宽度时，微孔面积随着电场强度和脉宽的增大而增大，且近似呈线性关系。为了进一步分析电穿孔面积与脉冲电场强度和脉宽两个参数间的综合关系，假设电穿孔面积与脉冲场强和脉宽乘积有关，脉冲电场强度和脉宽的乘积称为电冲击。可以看出，电穿孔面积随着电冲击的增大而增大，当电冲击较小时，微孔面积数值点距离拟合曲线较远，随着电冲击的增大，微孔面积的增加更趋近线性关系。

结论

本文提出了一种直接表征电穿孔效应的参量及其实验测量方法，对细胞荧光强度曲线进行数据处理，可计算出脉冲期间形成的电穿孔面积，且实验测量的电穿孔面积数值与已有文献数值接近，证实了该方法的可行性。电穿孔面积随着脉冲电场强度、脉冲宽度和脉冲电冲击的增大而线性增大，并从理论上进行了解释，得到的规律能够进一步为临床治疗提供指导。

团队介绍

研究人员隶属于重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室。团队长期致力于固态脉冲功率技术及其应用研究，主要涉及固态脉冲功率产生与测控技术、脉冲功率技术在肿瘤治疗领域的应用、脉冲功率技术在材料改性领域的应用。近年来，该团队完成了多个国家、省和电网企业的研究项目。

吴晓，硕士研究生，研究方向为高电压新技术。

米彦，教授，博士生导师，研究方向为固态脉冲功率技术及应用。

本工作成果发表在2023年第14期《电工技术学报》，论文标题为“脉冲电场对细胞膜电穿孔面积的影响研究”。本课题得到国家自然科学基金项目和“111”引智项目的支持。

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