为深入研究脉冲电场对细胞的作用机制,并进一步推广其在临床上的应用,基于有限元仿真软件建立了考虑胞内细胞器的单细胞五层介电模型,从2维和3维的角度研究分析了脉冲电场诱导细胞发生电穿孔的动态过程。同时,鉴于理论球形细胞与真实细胞结构的差异,建立不规则细胞介电模型,讨论分析脉冲电场作用于理论球形细胞与真实细胞电穿孔效应的差异。仿真结果表明:在1.5 k V/cm、10μs脉冲电场作用下,细胞膜上跨膜电位升高达到穿孔跨膜电位阈值(1 V)后发生穿孔,孔密度急增(达到1016数量级),电导率随着时间快速增加,从而进一步改变跨膜电位的分布,穿孔区域由正对电极的点逐渐往四周扩展,最终穿孔区域达到整个表面积的71.4%。而不规则细胞下的跨膜电位、电导率等分布较复杂,不再具有对称分布性,对于畸形度较大的细胞则必须考虑其形状的影响。仿真结果合理解释了脉冲作用下单细胞电穿孔的作用机制,为进一步分析复杂细胞系统提供理论依据,同时推进了脉冲电场的临床应用。
采用Matlab软件基于跨膜电压、微孔半径以及孔的受力随时间和空间变化的分析来模拟细胞在1 k V/cm、100μs脉冲期间电穿孔动态变化过程。采用的模型相比传统模型有两点明显的改进:第一,利用微孔能量的概率模型判断微孔半径变化的初始时间,当脉冲电场注入的能量大于微孔的最大能量的概率超过0.99时,微孔半径开始变化;第二,建立微孔受力模型来描述微孔的发展和分布,提出新的参数-孔冲量来决定微孔的大小。结果表明,除了极点不发生穿孔外,细胞膜都发生电穿孔,细胞膜大部分区域的微孔的受力接近于0,孔径基本区域稳定,不发生变化;但靠近极点附近的小部分区域孔径受力为正值,如果延长脉冲时间,孔径仍然在发展。此模型可以用来判断微孔的形成与预测微孔的发展。
