低强度非线性超声诱导相关肿瘤细胞凋亡的量化研究

Combined with finite amplitude nonlinear ultrasonic propagation properties, optimization of ultrasound parameters can help to achieve the balance of ultrasound harm and therapeutic efficacy according to the quantitative results of low-intensity ultrasound-induced apoptosis of tumor cell experiments.. In theory, the main task of this project is to investigate the nonlinear propagation properties of the finite amplitude ultrasound. The formation of standing wave will be also considered. The influence of ultrasound parameters (such as sound intensity, duty ratio, frequency sweep mode) and other related parameters (such as irradiation duration, the distance between ultrasonic probe and cells) on nonlinear sound field will be analyzed. The corresponding nonlinear field can be simulated through parameter optimization. The function of spatial pressure gradient in therapeutic ultrasound will be explored. . Quantitative characterization experiments of nonlinearity will be carried out using accurate measurement system. Spatial-average temporal-average ultrasound intensity will be obtained and analyzed. Some kinds of tumor cells’ ultrasound exposure experiments with different parameters will be executed and the apoptosis information and DNA fragmentation morphological changes will be analyzed. Referring to the theoretical results, the information extracted from cell experiments can reveal the scientific basis of low-intensity ultrasound-induced apoptosis of tumor cells. Meanwhile, we attempt to inquire into the reason of different apoptosis rates of benign and malignant cells under the same condition of ultrasound exposure. These provide theoretical guidance and experimental support for the ultrasonic treatment of tumors.

结合有限振幅非线性超声传播性质的理论研究，利用低强度超声诱导相关肿瘤细胞凋亡的量化实验结果，进行超声相关参数优化，实现低强度超声疗效与危害的平衡。. 理论研究有限振幅超声的非线性传播性质，考虑驻波场形成的可能。分析频率、非线性系数、声强、占空比、扫频方式、照射时间、探头细胞间距等超声相关参数对非线性声场的影响，进行参数优化，模拟实现相应非线性声场，并探索压强空间梯度在治疗超声中的作用。. 采用声场精确测量系统对低强度非线性超声场中的时间平均、空间平均声强等参数进行定量表征。进行不同超声参数、不同种类肿瘤细胞的超声照射实验，分析细胞凋亡信息及DNA链形态变化。挖掘优化参数的实验信息，结合理论研究结果，揭示量化低强度超声诱导肿瘤细胞凋亡的科学依据，评估治疗超声的危害。探讨良、恶性肿瘤细胞在受相同超声照射时呈现不同凋亡率的原因。为肿瘤超声治疗方案提供理论指导和实验支撑。

低强度超声可以诱导肿瘤细胞凋亡，一般用声强来对超声剂量进行描述，但过高的声强会对生物组织造成不可逆的损伤。本项目通过对低强度非线性超声的量化分析，研究了非线性声波的传播性质并进行了数值仿真及实验验证，这些结果可为诱导肿瘤细胞凋亡的超声参数优化提供了理论及技术支撑..首先，利用摄动法得到了非线性声波方程高达16阶的高次谐波解，使二次谐波解相对传统解有了更精确的理论结果。首次建立了低强度超声信号的非线性相位和非线性相图与非线性系数之间的关系，利用此关系可以更简单地得到材料的非线性系数，还能扩展实验条件，在更宽泛实验条件下对非线性系数进行更准确的测量。.其次，对非线性驻波的传播性质进行了理论及实验研究，首次发现了非线性驻波的“波锯”现象，即驻波信号的波腹虽和线性驻波信号一样上下翻转，但非线性驻波的波腹还存在横移的现象，这表明两个相邻波节之间质点的振动状态（振动相位）不再完全相同。建立非线性声场测量系统，对非线性行波及驻波进行实验验证。结果表明：除接近激波产生条件外，行波及驻波的理论及仿真结果均与实验有较高程度的吻合。.再次，对正常胃粘膜细胞 GES-1 （良性）和M2 型急性髓系白血病细胞株 Kasumi-1肿瘤细胞（恶性）进行了超声辐射实验，并开展了流式细胞术进行不同超声参数下的（凋亡）结果对比。发现低强度超声诱导肿瘤细胞凋亡，恶性肿瘤细胞相对正常良性细胞的凋亡率要更高，进一步的对比表明，调整超声参数，可以实现减小超声剂量，保证或提高治疗效果的预定目标。预估的物理参数（声压空间梯度）被证实并非导致肿瘤细胞凋亡的主导因素。但是仍然发现了超声激励幅度及超声作用距离与细胞凋亡率之间的关系，为提供超声治疗优化方案指明了方向。.项目的研究结果对优化超声诱导肿瘤细胞凋亡的治疗参数有指导意义，有较高的潜在应用价值。同时，项目还发展了非线性系数的测量理论及方法，对无损检测及超声影像有促进作用。