纳秒脉冲技术在医药领域中的应用

陈新梅

山东中医药大学药学院制药系，山东 济南 250355

纳秒脉冲技术是近年来新兴的前沿研究课题，它的迅速发展促进了肿瘤治疗的进步。本文介绍了纳秒脉冲技术的特点、作用原理以及在医药领域中的应用。

1 概述

目前生物学上传统的电穿孔治疗的研究多集中在脉冲电场致细胞膜结构的种类发生改变，尚未涉及对细胞核DNA的作用。纳秒脉冲(Nanosecond pulse)由于上升时间极短，不足以对细胞膜充电，而能量密度又高，可使电场透过细胞膜进入内部对细胞核等产生影响，尤其是对核DNA等产生较强的破坏作用。脉冲时间达到纳秒级，传递到组织和细胞的能量很小，细胞内引起的热效应可忽略；输入能量较低的前提下，由于作用时间达到千万亿分之一秒，产生的瞬态高功率脉冲可在不损害生物的前提下获得更强的生物效应；安全耐受、无并发症。

微秒脉冲虽然可以导致细胞膜出现电穿孔，但膜上的微孔的形成是可逆的，在撤去电场后微孔能自行恢复，因此并不足以直接杀死肿瘤细胞；纳秒脉冲不但能够诱导肿瘤细胞发生可逆性电击穿即电穿孔和内处理效应，而且在保证患者安全的前提下，将恰当参数组合的脉冲引入到肿瘤组织中，使细胞发生不可逆性电击穿效应并诱导细胞凋亡，达到杀伤肿瘤细胞的目的，同时还可诱发机体抗血管和淋巴转移效应、免疫效应等，破坏肿瘤的生存条件，有效地减少肿瘤细胞转移到其他部位的可能性，提高治疗的有效性和安全性[1]。

纳秒脉冲技术在医药领域内初试锋芒是在2002年世界十大科技进展新闻评选中：科学家使用脉冲间隔为千万亿分之一秒的脉冲，分别对两种实验动物的卵巢细胞和肾脏细胞进行“连珠炮”式的“轰击”，致使细胞膜上出现了一个孔径极小的孔，顺利地移植入目标物质。在此之后，细胞自身的生长帮助细胞膜上的这个小孔再度“关闭”，使细胞结构恢复正常[2]。

2 在医药领域中的应用

2.1 治疗皮肤疾病(Dermatology disease)

用Q-Switched lasers治疗病人额头的痣。治疗前额头的痣颜色深、显著；而用Q-Switched lasers治疗后，颜色变淡，几近消失[1]。

2.2 药物转运(Drug delivery)

当携带药物的微粒通过细胞的内吞作用进入细胞内后，给细胞一定的纳秒脉冲，能促使载药微粒释放药物，从而达到药物在细胞内释放的效果[3]。

2.3 肿瘤治疗(Cancer therapy)

传统肿瘤治疗方法的机理在于杀伤肿瘤细胞并抑制其生长与增殖，因而只能延缓肿瘤的进展，不能达到治愈的目的。而诱导肿瘤细胞凋亡能使肿瘤组织缩小甚至消失，减少对正常细胞的损害和治疗过程中的不良反应。因此，研究诱导肿瘤细胞凋亡方法及机制，对于肿瘤治疗有着特别重要的意义。目前，国内外的学者已开始研究利用纳秒脉冲技术用来治疗皮肤癌[4]、前列腺癌[5]、黑色素瘤[6]、白血病[7]、卵巢癌[8]、肝癌[9]。

在恶性肿瘤细胞中，细胞核通常较大，并表现为多形性和染色质增多，核仁数目增多，常规染色的肿瘤细胞中核仁深染并且增加。长脉冲作用在细胞膜上，对细胞核、线粒体等细胞器基本没有影响；随着脉宽减小，电场透过细胞膜进入内部，对细胞核等产生影响；当脉宽小到纳秒级别时候，电场能穿过核膜对核仁等产生较强的破坏作用。当周期性的脉冲作用于肿瘤细胞时，细胞处于不断的充放电动态过程，从而在核中及其周围形成电场，由于增生旺盛的肿瘤细胞核染色质的介电常数与周围原生质的介电常数不等，必然造成肿瘤细胞核对纳秒脉冲的高度敏感性，从而达到选择性杀伤的目的，能杀伤并抑制恶性肿瘤生长[10]。

2.4 医学影像(Medical Imaging)

四川绵阳的西南科技大学信息与控制工程学院的傅佑麟等[11]将此技术应用于人体内部探测，取得一定的研究进展。

除上述应用之外，纳秒脉冲技术对伤口愈合[12]、去除息肉、除脂（减肥）等方面也有一定的研究和应用[13]。

3 商业化前景

Karl H.Schoenbach教授2004年在《Nature》预言：纳秒脉冲将在近几年内可望实现临床试验并逐步得到应用，这种方法不需要药物的辅助就能达到良好的杀灭肿瘤细胞的效果，可以避免炎症、溃疡和化学药物等副作用[13]。

4 现存问题与展望

研究的肿瘤类型和药物类型有限，仅限于头颈癌、皮肤癌、胰腺癌、肝癌、黑色素瘤、卵巢癌等肿瘤，对其他肿瘤研究尚无报道；目前的研究大多为离体细胞实验，在体动物实验的报道少见；科研费用昂贵，需要强大的资金后盾。

纳秒脉冲技术在医药领域中的应用是电工学科与生命学科高度融合，是一项多学交叉的、综合性、前沿研究课题。作为一种物理学领域崭新发展起来的细胞干预手段，纳秒超短脉冲在细胞内的生物过程和机理都尚无深入研究，是一个充满未知数的有趣研究方向。

[1]杨孝军，胡丽娜，李均，等.低能陡脉冲致人卵巢癌SK0V-3细胞核DNA链断裂损伤的实验研究[J].实用妇产科杂志，2004.

[2]杨晓燕，熊正爱，李成祥，等.陡脉冲不可逆性电击穿治疗兔肝脏肿瘤研究[J].西南大学学报(自然科学版)，2009.

[3]傅佑麟，刘桂华.应用亚纳秒冲激脉冲波探测人体内部特性[J].现代雷达.