低强度瞬态电磁场作用下电穿孔机理探讨

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1、第28卷第1期湖北人学学报(自然科学版)V0J．28No．12OO6年3月JournalofHubeiUniversity(NaturalScience)MaT．．2o06文章编号：1000—2375(2006)01—0054—03低强度瞬态电磁场作用下电穿孔机理探讨杨艳芹，谢菊芳，夏利霞，侯义峰，肖磊(湖北大学物理学与电子技术学院，湖北武汉430062)摘要：通过计算离子在细胞膜外与在细胞膜内的吉布斯自由能，并考虑外加电场的影响，分析离子进入细胞膜的自发性，对低强度瞬态电磁场作用下细胞膜的电穿孔机理作出初步探讨．关键词：低强度瞬态电磁场；生物膜；电穿孔；占布

2、斯自由能中图分类号：Q6文献标志码：A电穿孔(electroporation)是指在脉冲电场作用F，细胞膜脂双层上形成瞬时微孔，导致其通透性和膜电导瞬时增大的生物物理现象．它可使某在正常生理情况下细胞膜难以通透的微粒如药物、抗体和DNA等进入细胞中，产生某些特殊的生物或医学效应．目前，电穿孔技术已经在生物技术、基因工程及临床医学等方面得到了广泛的应用，如基因电转移[、治疗肿瘤【、促进细胞融合及皮肤的药物传递l3J等．其相关的研究主要集中于单个或数个瞬时高强度脉冲(电场强度为l02～lo3kV／m，脉冲作用时间一般为l0～10I3s)作用下的生物膜的穿孔现象及其

3、机理分析．近l0年来，国内一些学者开始致力于低强度瞬态电磁场脉冲(电场强度为几kV／m，脉冲宽度为几个ns～100ns)作用下牛物膜电穿孔的实验研究[·，5l，已经取得了一定的成果．实验发现，细胞在低于电穿孔的击穿电位(0．5—1．0V)的条件下，也能形成穿孔，从而导致细胞发生明显的牛物学变化．但相关的机理分析却很少．本文通过计算离子在细胞膜外与在细胞膜中吉布斯自由能，并考虑外加电场的影响，分析离子进入细胞膜的自发性，对低强度瞬态电磁场作用下细胞膜的电穿孔机理作出初步探讨．1生物理论基础细胞膜的主要成份是脂类、蛋白质和糖类，其中脂类的含量最多．而脂类以极性脂质

4、为主，其极性头部具有亲水性，指向水中；非极性头部具有疏水性，指向内侧，使膜形成脂质双层结构．蛋白质则以覆盖或镶嵌的方式结合到脂双层中，细胞膜具有多种功能，各种功能都紧密地和膜蛋白有关，其中最主要的功能就是对离子的选择性通透，使细胞与外界进行物质交换．通透机制主要分为两类_6J：一类是靠膜内{．，Lj}；嚣、}；}§*i}；f尊；魁外两侧的化学(浓度)梯度驱动的扩散；另一类是通过转运蛋白实现的转运．一些起被动转运功能的转运蛋白，形成含水通道，这样就可以使大小适当的溶质透过膜，这种转运蛋白称“通道”(channelproteins)．它们对于特异的无机离子(Na、

5、cl、K、Caz等)的跨膜转运十分重要．按开启机制大致可分为两类：配体一门通道和电压一门通道．其中电压一门通道是当膜电位达到一定值时才开启的．因此，对细胞膜施加一定的外加电信号刺激，会有利于通道的开启，增加膜对离子的通透性．2能量分析根据“流动镶嵌模型”：牛物膜是蛋白质、脂质分子的非极性残基避开水相，按紧密排列方式镶嵌而成的[．细胞膜的相对介电常数很低(约为e=2～3)，而细胞内液和细胞外液的相对介电常数都接近于水的相对介电常数￡70～80．因此离子在细胞膜内和细胞膜外可以看成是分别处于介电常数为收稿日期：2005—04—15基金项目：湖北省教育厅资助项目(2

6、003A007)作者简介：杨艳片(1981一)，女，硕I牛第1期杨艳芹等：低强度瞬态电磁场作用下电穿孔机理探讨55￡和e的连续电介质中．把离子看成是半径为口，电量为q均匀分布的小球，则离子处于相对介电常数为∈的电介质的静电能为：E(st)：q2／8e￡00，离子从膜外进入到膜内的静电能变化可表示为：St)=卫fEm一87~~0a)(1)离子与介质之间的界面II(用表面张力的形式来表示)为：(in)=4ny，y为离子与介质之间的表面张力．则离子从膜外进入到膜内的吉布斯自由能变化为[’J：G(fr)=AE(f)+AE(i几)：qZ(一J一4~va2，(2)式中7．

7、=7o．一70。从上式可以看出，△E(st)>0，而△E(in)<0，所以可令G(cr)=0，代人附．表中典型值进行计算，得临界半径0o0．44rim．则当n0，反应不能自发进行，即离子要进入膜内需要外加能量；当>6／,0时，G(打)<0，反应能够自发进行，即只要有半径足够大的孔洞存在，离子就能够自发进入到膜中．上述计算离子在膜内的表1典型计算参数值静电能时，忽略了跨膜电位影响．当细胞膜施以外加电场作用时，离子处于细胞膜内的静电势能为Eo=eU．。(：外加电场诱导产牛的跨膜电位)．由于是内负外的，因此，离子进入到细胞膜的过程巾静电能会减小

8、，从而n<6／,。，即临界半径减小．3