近壁微气泡超声空化及其在基因转染中的作用研究

With the development of molecular biology and the Human Genome Project, gene therapy is considered to be one of the most perspective medical methods. Among the gene therapy researches, the key mission is to find a clinically safe and efficient gene transfection method. Ultrasound-targeted micro-bubble destruction (UTMD) is a new gene transfection strategy. This technique has great potential clinical applications. However, the research of ultrasound-mediated gene transfection using micro-bubble is still in the start stage. The interaction between micro-bubble and cell is complex under ultrasound irradiation. The sonoporation effect is still not clear. . This project is focus on the near-wall micro-bubble cavitation collapse details under ultrasound irradiation, and the impact effect on the wall, using micro-PIV technique and numerical simulation. The effects of UTMD on gene transfection are also studied. Through this project, the cavitation collapse characteristics of different size and near-wall-distance micro-bubbles under different frequency and intensity ultrasounds will be discussed in detail. The inherent mechanism of cell sonoporation effect and UTMD on gene transfection will be revealed. The relationship between cell viability after gene transfection and parameters of micro-bubble and ultrasound wave will be discussed. The suitable ultrasound safe dose will be determined, which can provide theoretical basis for gene therapy.

伴随分子生物学和人类基因工程的发展，基因治疗被认为是最有前景的医疗方法之一。基因治疗研究中最关键的任务是找到一种临床上安全高效的基因转染方法，超声靶向微泡破坏技术是一种基因转染的新策略，具备巨大的临床应用潜力。但是到目前为止，利用微气泡超声介导来进行基因转染的研究尚处于起步阶段，超声激励时微气泡和细胞相互作用的复杂性导致了声孔效应的物理机制尚未清楚。. 本项目采用micro-PIV技术和数值模拟方法研究微通道中壁面附近的微气泡在超声作用下的空化溃灭特性及对壁面的冲击作用，以及利用超声微气泡破坏技术来促进基因转染。通过本项目研究，理清不同尺寸、近壁距离的微气泡在不同频率和强度聚焦超声场中的空化溃灭特性及对壁面的冲击作用；揭示细胞声孔效应及超声靶向微泡破化技术促进基因转染的内在机理；理清基因转染细胞存活率与微气泡以及超声参数间的定量关系，确定超声安全剂量范围，为基因治疗提供理论依据。

超声靶向微泡破坏技术是一种新型的癌症治疗方法，然而利用微气泡超声介导来进行基因转染的研究尚处于起步阶段，超声激励时微气泡和细胞相互作用的复杂性导致了声孔效应的物理机制尚未清楚。本项目采用实验和数值模拟两种方法研究壁面附近的微气泡在超声作用下的空化溃灭特性及对壁面的冲击作用，以及利用超声微气泡破坏技术来促进基因转染。搭建了近壁微气泡实验研究平台，通过改变微通道结构和尺寸、液相和气相的进口参数，分析各种力共同作用下气体头形状的演化过程，研究气泡生成尺寸和频率与各种控制参数的定量关系；研究了超声作用下微气泡的形状振荡特性，获得了微气泡形状振荡时气液界面附近的两相的速度场、温度场和压力场变化过程；采用micro-PIV 技术和数值模拟方法研究微通道中壁面附近的微气泡在超声作用下的空化溃灭特性，探究近壁微气泡空化溃灭时产生的微射流对微薄板和微悬臂梁的影响，定量分析不同尺寸、近壁距离的微气泡在不同频率和强度的超声场作用下溃灭时对壁面的冲击作用；分析了弹性小球附近的微气泡溃灭特性，认为超声靶向微泡破坏技术中，是空化气泡溃灭时强流体剪切引起的挤压和拉扯作用，而不是溃灭射流增加了细胞膜的通透性；研究了刚性细丝附近的微气泡空化特性，得到空泡在单根刚性细丝附近发生非对称溃灭的临界无量纲丝径；分析了双层流体界面附近微气泡溃灭特性，给出了气泡穿过界面，在下层液体中进行下一次膨胀、收缩和溃灭过程；利用微流控方法生成复合包膜微气泡，并在微流控平台上观测其在超声场中的形状振荡特性，同时通过数值模拟方法对复合微气泡和自由微气泡在超声作用下的形状变化特性进行了对比。通过本项目研究，理清了不同尺寸、近壁距离的微气泡在不同频率和强度聚焦超声场中的空化溃灭特性及对壁面的冲击作用；初步揭示了细胞声孔效应及超声靶向微泡破化技术促进基因转染的内在机理，为基因治疗提供理论依据。