脉冲电场作用下细胞感应跨膜电位的测量及特性参数的研究

本项目以脉冲电场微生物效应在电刺激、电融合、电穿孔的应用为基本背景，以二维脂双层液态镶嵌模型的细胞膜为切入点，分析细胞膜介质在脉冲电场作用下的极化过程，并从球形细胞双电层模型及其等效电路出发，从理论上分析、仿真比较方波脉冲电场与静电场，及其它脉冲电场对感应跨膜电位的差别。利用膜片钳技术、仿细胞膜材料和自制高精度脉冲电场实验系统搭建感应跨膜电压实时测量系统。通过对细胞尺寸、细胞膜材料、悬浮液及细胞内液等细胞固有特性参数，以及外加脉冲电场强度、脉冲宽度、脉冲波型和作用时间等外电场特性参数的选取，设计不同的实验组，获取对应条件下外电场感应的跨膜电压值；从实测数据入手，修正理论模型的相关参数，探索感应跨膜电压与外加电气参数间的量值关系，进一步改善脉冲电场感应跨膜电压的计算模型。最后利用大肠杆菌和K562细胞株设计电穿孔实验，验证感应跨膜电压计算模型，从而推动电刺激、电融合、电穿孔等技术的应用。

脉冲电场微生物效应在电刺激、电转染、电注射、电插入、电融合、电穿孔等多种生命科学领域存在着这广泛的应用，而这一系列的应用均跟外加脉冲电场在细胞膜内外两侧感生的跨膜电压大小相关。因此详细研究外加脉冲电场与感生跨膜电压之间的关系是目前生物电磁学的研究热点，从而还可以解释脉冲电场微生物的非热效应。本课题的研究结果主要包括三个方面：建立完整的微生物细胞介电模型、利用多物理场耦合分析软件COMSOL对脉冲电场作用下微生物细胞感应跨膜电位进行详细仿真模拟。充分发挥现有的科研实验条件，利用脉冲电场、超声波、微射流等三种物理场处理微生物细胞，对比研究了磷脂质细胞膜的影响，脉冲电场相比另外两种物理场处理后细胞粒径恢复较大。项目组就磷脂质体在脉冲电场力作用下其界面性质的特性进行研究，获得脉冲电场的场强、导通电流与脂质体浓度的关系。同时通过大量的实验验证了脂质体表面张力与脉冲电场强度的关系，与理论计算较吻合。