外电场作用下悬液中细胞膜电压变化建模的研究

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1、摘要摘细胞膜电压是反映细胞生命活力和功能的一个良好指标。在外加电场作用下，细胞膜电压的改变导致了胞内外离子的穿膜运动，打破了维持细胞正常生命活动的离子分布的平衡状态，从而引起细胞产生有利于或不利于其存活的生理和生化状态的改变。因此，建立外电场作用下细胞膜电压计算模型，掌握细胞膜电压变化规律，对更好研究细胞电磁生物效应及其在生物、医学领域的应用具有重要指导意义。外电场中单细胞膜电压计算模型早为人们熟知。然而对于属于多细胞系统的细胞悬液，细胞分布的不均匀性、以及细胞间相互作用的复杂性，使得精确建立悬液中细胞膜

2、电压计算模型非常困难。为此，论文用场近似等效方法，初步解决了该建模难题。首先根据有效介质理论，计算不同外加电场作用下的细胞悬液的有效电导率。然后根据Laplace方程确定细胞悬液中的平均场。再次用场近似等效方法，确定悬液中一个细胞局部的实际场分布和独立处于外加场中单细胞场分布近似等效的条件。最后借助于单细胞膜电压计算公式，建立了外电场作用下悬液细胞膜电压近似计算模型。包括：根据Maxwell、Bruggeman和Tobias等效公式，以及计算单细胞膜电压的schwan公式，建立了直流电场作用下，不同浓度均

3、匀悬液中细胞膜电压计算模型。用该模型计算了悬液细胞膜电压并和其他学者的数值解进行比较，结果基本符合。基于Maxwell—wagner和Bruggeman—Hanai等效公式，考虑不同外加时变场作用下，细胞膜以及膜内外溶液的电导率和介电常数取值不同的特点，根据时变场作用下单细胞膜电压的第一、第二以及扩展的第二计算模型，分别建立了频率，≤100KHz；100KHz≤，≤100MHz；，≥100MHz时，外加时变场作用下均匀悬液中细胞膜电压计算模型。针对穿孔时细胞膜电导率大幅度增加且不均匀分布的特点，用电导率均

4、匀分布的小球等效每个穿孔细胞，然后用Maxwell和Tobias等效公式，确定不同浓度下悬液中穿孔细胞的平均场，再基于穿孔单细胞膜电压计算公式，建立了强直流脉冲电场作用下均匀悬液中穿孔细胞膜电压计算模型。论文所建的膜电压计算模型表明，在外电场作用下，均匀悬液中细胞膜电压变化除和外加场的大小、细胞半径、细胞浓度以及细胞排列方式、场点位置有关外，对于时变场，膜电压还和细胞膜介电常数以及膜内外溶一一⋯一⋯一一一一⋯⋯一一⋯⋯⋯一⋯一-●-一_⋯一一一一一⋯⋯一一一⋯_⋯一一一一⋯一⋯一一⋯一⋯一_一_⋯+本课题

5、由国家自然科学基金项目(60071033)和广东省科技厅社会发展攻关项目(2002c30202)基金资助。华南理工大学博十学位论文液的电导率有关(当外加场频率大于100KHz，细胞膜电压还和细胞膜内外液的介电常数有关)；对于穿孔细胞，膜电压变化还和细胞膜穿孔临界角有关。基于所建的悬液细胞膜电压计算模型，论文还建立了外电场作用下均匀悬液中细胞膜损耗功率计算模型。模型表明，细胞膜的损耗功率和外电场大小，细胞膜以及膜内外溶液的电导率和介电常数、细胞半径、细胞浓度以及细胞排列方式有关。细胞膜损耗功率计算模型的建立

6、，为细胞电磁生物效应的机理研究提供了理论基础。论文还进行了相关实验，在一定程度上对所建均匀悬液中细胞膜电压计算模型进行了定性论证。实验内容为：利用细胞膜电压荧光探针，研究了毫米波辐射过程中，不同浓度的K562细胞的膜电压变化规律。结果表明，细胞浓度是影响细胞膜电压变化的一个重要因素，和根据所建膜电压计算模型得到的结论一致。论文还根据所建的计算模型，从生物物理学的角度，对细胞膜电压随细胞浓度变化所呈现的非线性关系的机理进行了探讨。用流式细胞仪检测毫米波辐射下，不同浓度K562细胞的凋亡率。结果表明，在相同辐

7、射条件下，不同浓度细胞组对应的细胞调亡率是不相同的。论文还根据所建的毫米波作用下悬液细胞膜电压计算模型，用非热效应的观点，通过讨论细胞膜电压改变对膜离子通透的影响，对实验中细胞浓度和细胞凋亡率的非线性关系进行了探讨，在一定程度上对该计算模型进行了间接的定性论证。将长春新碱加入不同浓度的K562细胞悬液后，对悬液进行电穿孔处理，最后检测细胞的活力。结果表明，在相同的药物处理和电穿孔条件下，不同浓度组对应的细胞活力是不相同的。由于细胞穿孔的几率和小孔孔径和细胞膜电压紧密相关，实验结果间接说明了细胞浓度和穿孔细

8、胞膜电压的密切关系，对论文所建的直流脉冲电场作用下穿孔细胞膜电压计算模型进行了间接论证。论文还根据所建的穿孔细胞膜电压和膜损耗功率计算模型，用细胞生物热效应的观点，对实验现象的产生机理进行了探讨，从另一个角度对计算模型进行了间接定性论证。关键词外电场；生物效应；细胞膜电压：计算模型ⅡAbstractAbstract。Thetransmembranevoltageofthecensisasuitableparameterrefl