纳米脉冲调节细胞内脏

 

Anil Ananthaswamy，2004年2月6日，

 

 

新科学家

 

http://www.newscientist.com/news/news.jsp?id=ns99994635

 

美国正在开发一种方法，使医生可以调节细胞内部，甚至不接触患者的身体。

 

该技术仍处于起步阶段，尚不清楚它对细胞的作用。但是最初的实验表明，有一天可能会使用这项技术来治疗癌症，加快治愈甚至解决肥胖症。

 

该方法包括将细胞暴露在非常强大的电场中非常短的时间。洛杉矶南加州大学的汤姆·韦尼尔（Tom Vernier）说：“这些脉冲的影响相当显着。”他将在3月于波士顿举行的纳米技术会议上介绍其团队的一些研究成果。 “我们认为它进入细胞并操纵细胞内结构。”

 

向细胞施加电脉冲并不是什么新鲜事。在一种称为电穿孔的技术中，持续数百微秒的电场被施加到细胞上。电压使细胞膜中的脂质分子带电，从而在膜上产生瞬时孔。该方法可用于帮助将药物或基因带入细胞。

 

重大生理事件

 

但是最新的技术涉及更强大的电场，在很短的时间内施加每米数十兆伏特的梯度，这些纳秒脉冲电场太短暂，无法在细胞外膜上产生电荷，但它们确实会影响细胞内的结构。

 

主要作用之一似乎是钙从称为内质网的细胞结构中释放出来。 “在一纳秒内，我们会在细胞中引起这一重大生理事件，”韦尼尔说。 “这是完全间接和远程的，而且过渡非常迅速。”

 

纳米脉冲还可以触发细胞自杀。由弗雷尼尔（Vernier），Old Dominion大学的卡尔·舒恩巴赫（Karl Schoenbach）和东弗吉尼亚医学院的斯蒂芬·比比（Stephen Beebe）领导的研究小组都位于弗吉尼亚州的诺福克，研究表明，纳米脉冲可以杀死培养物中的肿瘤细胞。

 

这些脉冲不仅会炸炸细胞，还会导致变化，例如称为胱天蛋白酶的酶的激活，这是细胞自杀的早期步骤。脉冲如何做到这一点尚不清楚，但韦尼尔说，这种作用与钙的释放无关。

 

细胞自杀

 

那么纳米脉冲可以帮助治疗癌症吗？在初步测试中，Schoenbach和Beebe使用针状电极在小鼠肿瘤附近产生脉冲。与五只未经治疗的小鼠的肿瘤生长相比，纳米脉冲使四只小鼠的肿瘤生长减慢了60％。研究人员希望通过更好的递送系统可以使肿瘤缩小。

 

Beebe推测，豆类的研究小组还发现，脉冲可以触发细胞中的自杀，从而导致脂肪细胞的产生，这可能为治疗肥胖打开了新的途径。

 

韦尼尔（Vernier）正在洛杉矶Cedars-Sinai医疗中心与医生合作，研究纳米脉冲是否可以加快伤口愈合。他说：“我们确实看到了一种效果，但这就是我现在只能说的全部。”

 

下一步是开发一种将脉冲传递到体内深层的细胞和器官的方法。理论模型表明，宽带无线电信号的纳秒脉冲可以做到这一点。舍恩巴赫说：“这样的天线阵列通过电场的叠加会在我们需要的地方产生非常高的电场。”

 

高压抗癌

 

由IEEE新闻的Erico Guizzo提供，

http://www.spectrum.ieee.org/WEBONLY/wonews/jun04/0604ncell.html

 

研究人员正试图通过用高压，纳秒级的电脉冲击打来杀死肿瘤

 

2004年6月10日，在与癌症的不懈斗争中，研究人员从字面上讲正在尝试一种令人震惊的新疗法。他们发现，通过用极其短暂的高压电脉冲轰击细胞，它们可以触发细胞生化机制中的自毁机制。这种机制称为细胞凋亡或程序性细胞死亡，在人体中自然发生，因为组织不断清除旧的，受损的或不再需要的细胞。

 

研究人员试图找到可以触发癌细胞自杀机制而不影响健康细胞的电脉冲类型。他们希望该方法有一天可以作为一种肿瘤治疗方法，其比外科手术切除术更具侵入性，并且比化学疗法具有更少的有害副作用。但是批评者警告说，该技术未经临床验证，可能无法在实验室之外进行。

 

这项技术的共同发现者，弗吉尼亚州诺福克市Old Dominion大学的IEEE研究员兼电气工程教授Karl H. Schoenbach预计将于6月21日在华盛顿特区的生物电磁学会年会上报告他的最新发现。目前，在英格兰，法国，德国和美国的该技术正在进行实验。

 

程序化死亡：显微镜载玻片上的人类白血病细胞被一个非常短暂的高压电场脉冲击穿。这些细胞已经用一种荧光化合物进行了染色，该荧光化合物揭示了与细胞自我破坏机制的激活有关的酶的存在。随着时间的流逝，越来越多的细胞逐渐发展出这种酶。

 

 

Schoenbach和斯蒂芬·比贝（Stephen Beebe），也是诺福克市东弗吉尼亚医学院的儿科学教授，于2001年首次报道用电脉冲诱导癌细胞凋亡。他们将小鼠并两侧注入癌细胞，一种用于治疗，另一种用于治疗。作为对照，让肿瘤发展。一段时间后，他们使用针状电极以一系列长300纳秒，每厘米60伏特的电脉冲使一个肿瘤破裂。他们发现，治疗后的肿瘤仅比未治疗的肿瘤大50％至60％，许多细胞因凋亡而死亡。从那以后，这对夫妇一直在努力彻底消除肿瘤，并通过一个脉冲完成它。

 

虽然结果似乎令人鼓舞，但现在还为时过早。该大学的生物工程学教授肯尼斯·福斯特（Kenneth R. Foster）表示：“这是一门非常有趣的科学和新技术，但要暗示该方法可能在临床上应用还为时过早。费城宾夕法尼亚州立大学，是电磁场对活组织影响的专家。

 

福斯特说，研究人员尚未进行必要的许多动物和人体试验，以使该技术获得医生的批准，而且这些实验可能在未来数年内完成。他补充说：“在悬浮液中的某些细胞或肿瘤中的某些细胞中诱导凋亡与以任何临床上有意义的方式破坏肿瘤之间存在很大的区别，”他补充说。

 

Schoenbach和Beebe的技术远非诱导细胞自杀的唯一方法。马里兰州罗克维尔市美国食品和药物管理局器械与放射健康中心的研究生物化学家Dianne E. Godar致力于癌症的起因和治疗，她说“她可以列出约一千种生物，化学和物理制剂她说，如果我们想将电脉冲疗法与现有疗法进行比较，则必须进行额外的实验，从而可以在癌细胞和实体瘤中诱导凋亡。

 

未来实验的一个目标是确定细胞中首先感应电脉冲并触发凋亡的物质。然后，可以使用该信息来找到一种特异性靶向癌细胞的方法。 “在单元格中发生了无法解决，无法修复的事情；因此会自杀。”他说，可能参与调节程序性细胞死亡的已知细胞结构，包括产生能量的线粒体和储存DNA的细胞核。

 

了解细胞凋亡是当今医学和分子生物学中最热门的话题之一。 2002年诺贝尔生理学或医学奖得主是三位研究人员-悉尼·布伦纳，约翰·苏尔斯顿和罗伯特·霍维茨，他们在细胞凋亡和器官发育的基因调控方面开展了开创性工作。细胞凋亡的问题与许多疾病有关，包括癌症（当细胞无法进行凋亡并疯狂繁殖时）和神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏病）-当过多的细胞死亡时。因此，对于癌症，科学家们希望找到诱导细胞凋亡的方法。对于老年痴呆症，他们想阻止它。

 

在专注于凋亡的数十年之前，科学家们使用了电压更低，持续时间更长的电脉冲，在细胞外膜上形成了暂时的孔。现在，这种称为电穿孔的技术已广泛用于实验室中，以向细胞中注入DNA，药物和其他种类的分子。电场中的细胞本质上就像一个微型球形电容器：它的5纳米厚的膜是很好的绝缘体，内部和外部都被咸水包围着。施加电场后，水中的离子和其他带电分子会积聚在细胞膜的外部。电池内部也会发生相同的过程，结果会在膜上形成电压。

 

“当膜上的电压上升到0.5到1伏之间时，就会发生戏剧性的变化，”位于剑桥的哈佛大学-麻萨诸塞州理工学院健康科学与技术部高级研究科学家James C. Weaver说。电压会导致膜的绝缘性能下降，从而在膜的整个表面上打开大量的临时孔。离子和其他大分子可以穿过膜上的孔，这些孔暂时从绝缘体变为导体。

 

如今，电穿孔已被实验性地用于增强化学疗法的功效，韦弗说，该程序在癌细胞中开了大孔，迫使它们吸收更多的抗癌药物，如博来霉素，从而破坏DNA，杀死细胞。从事电穿孔和化学疗法结合研究的研究人员包括法国维勒瑞夫（Villejuif）的CNRS研究所古斯塔夫·鲁西（Lustis Mir）。坦帕市南佛罗里达大学的Richard Heller；和位于圣地亚哥的Genetronics Biomedical的研究人员。

 

在这种实验中使用的电场脉冲的强度约为千伏特/厘米，持续时间从微秒到毫秒。但是舍恩巴赫认识到，持续时间较短的脉冲（持续时间只有几纳秒），持续的时间不足以将离子带到细胞膜上，并产生足够高的电压使其分解。取而代之的是，更快的脉冲似乎绕过了细胞膜，从而影响了细胞内部的结构，例如细胞核。像电池本身一样，这些结构的膜是很好的绝缘体，因此它们还充当可以充电的微型电容器。

 

Schoenbach和Beebe发现，这些短而高强度的脉冲可以激活细胞的自毁机制，从而震荡细胞的内脏。因此，原则上，基于这些短脉冲的治疗将不需要像博来霉素这样的药物：这些脉冲本身就是杀伤剂。

 

在十亿分之一秒内提供如此巨大的电压类似于将汽车从每小时0加速到100公里，然后在1秒内将其减速回到0。 Schoenbach的负责执行此任务的小组的系统由市售的高压源组成，该高压源用于连接到所谓的脉冲形式网络的强大激光器和X射线设备，该电路在两个脉冲之间形成纳秒长的强大电场。电极。

 

舍恩巴赫说，脉冲形式的网络是互连电缆和电子元件的复杂布置，但实际上起着传输线的作用。 40,000 kV的电源通过火花隙开关将一阵电能传递到线路的一端，并朝电极传播。在短暂的时间内，能量流沿着线路（十分之几秒）流动，微小电极之间出现了数百千瓦每厘米的电场。

 

电极通常相隔几毫米，不一定需要接触电池。起作用的是它们之间的电场。到目前为止，该小组已经使用了针作为电极，但是研究人员正在研究其他复杂的应用领域，包括可能在远处使体内的肿瘤破裂的天线。 “这是一项艰巨的任务，”舍恩巴赫说。 “我们需要极高的电场和高功率宽带天线。这真的很未来。”

 

无论如何传递脉冲，所涉及的高压都使设置听起来更像是一种新的烹饪技术，而不是癌症治疗方法。但是实际传递的能量非常低，不到焦耳，甚至不足以加热单摄氏度的电池。这是因为，即使所涉及的电量非常大（每秒16兆瓦或16兆焦耳），它的施加时间也只有几纳秒。

 

“通常当人们想到电时，他们会想到一种残酷的杀戮方式-电死，燃烧这类事情，” Schoenbach说。 “我们的方法着眼于极短的脉冲，因此不会产生热效应，也不会产生热量。纯粹是电效应。”

 

最终，超高速高压脉冲能否成功用于癌症治疗取决于特定持续时间或电压的脉冲是否会优先杀死肿瘤细胞而不是正常细胞。加州大学圣迭戈分校癌症生物学教授杰拉德·埃文（Gerard I. Evan）表示：“所有癌症疗法的诀窍都是找到一个治疗窗口，该疗法可以杀死肿瘤细胞而对敏感的正常组织没有太大的附带影响。”弗朗西斯科。

 

埃文（Evan）说，舍恩巴赫（Schoenbach），比比（Beebe）及其同事获得的结果很有趣，但是需要更多的实验来确定这种电场是否会表现出必要的特异性。他说，尤为重要的是，研究人员确定了脉冲触发细胞凋亡的分子机制。只有到那时，才有可能对脉搏在某天作为治疗是否有效有所了解。

 

而且研究人员还没有弄清楚在封闭细胞内到底发生了什么。 “我们知道起点，我们必须拥有这一系列极短的脉冲。而且我们知道终点-我们会产生凋亡。” Schoenbach说。 “我们现在正在寻找的是介于两者之间的东西。”