納秒脈沖技術在醫藥領域中的應用

陳新梅

山東中醫藥大學藥學院制藥系，山東 濟南 250355

納秒脈沖技術是近年來新興的前沿研究課題，它的迅速發展促進了腫瘤治療的進步。本文介紹了納秒脈沖技術的特點、作用原理以及在醫藥領域中的應用。

1 概述

目前生物學上傳統的電穿孔治療的研究多集中在脈沖電場致細胞膜結構的種類發生改變，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部對細胞核等產生影響，尤其是對核DNA等產生較強的破壞作用。脈沖時間達到納秒級，傳遞到組織和細胞的能量很小，細胞內引起的熱效應可忽略；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，產生的瞬態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；安全耐受、無并發癥。

微秒脈沖雖然可以導致細胞膜出現電穿孔，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生可逆性電擊穿即電穿孔和內處理效應，而且在保證患者安全的前提下，將恰當參數組合的脈沖引入到腫瘤組織中，使細胞發生不可逆性電擊穿效應并誘導細胞凋亡，達到殺傷腫瘤細胞的目的，同時還可誘發機體抗血管和淋巴轉移效應、免疫效應等，破壞腫瘤的生存條件，有效地減少腫瘤細胞轉移到其他部位的可能性，提高治療的有效性和安全性[1]。

納秒脈沖技術在醫藥領域內初試鋒芒是在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”，致使細胞膜上出現了一個孔徑極小的孔，順利地移植入目標物質。在此之后，細胞自身的生長幫助細胞膜上的這個小孔再度“關閉”，使細胞結構恢復正常[2]。

2 在醫藥領域中的應用

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 藥物轉運(Drug delivery)

當攜帶藥物的微粒通過細胞的內吞作用進入細胞內后，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釋放的效果[3]。

2.3 腫瘤治療(Cancer therapy)

傳統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。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，國內外的學者已開始研究利用納秒脈沖技術用來治療皮膚癌[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，并表現為多形性和染色質增多，核仁數目增多，常規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部，對細胞核等產生影響；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的介電常數與周圍原生質的介電常數不等，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]將此技術應用于人體內部探測，取得一定的研究進展。

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

3 商業化前景

Karl H.Schoenbach教授2004年在《Nature》預言：納秒脈沖將在近幾年內可望實現臨床試驗并逐步得到應用，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。

納秒脈沖技術在醫藥領域中的應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。作為一種物理學領域嶄新發展起來的細胞干預手段，納秒超短脈沖在細胞內的生物過程和機理都尚無深入研究，是一個充滿未知數的有趣研究方向。

[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.應用亞納秒沖激脈沖波探測人體內部特性[J].現代雷達.