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为了彻底地攻克癌症,许多新技术被运用到这个领域,而基于脉冲电场的肿瘤治疗方案显示出了其非热、无药参与、高效率等独特的优势。本文研究了纳秒脉冲免疫疗法的部分相关机制,指出该疗法的固有缺陷,并据此发现了纳秒脉冲癌症免疫疗法与微秒脉冲消融术的互补效应,主要研究内容分为三个部分:全参数可调的数字高压脉冲系统的研制;高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的机制研究;强场微秒/纳秒脉冲电场的互补效应研究。全参数可调的数字高压脉冲系统的研制方面,首先通过单细胞有限元模型分析,确定了当脉冲宽度在70μs到100μs范围内,电场能量主要作用在细胞膜上,可以满足不可逆电穿孔技术的要求;当脉冲宽度在100 ns到1μs范围内,电场能量主要作用在细胞内的结构上,可以满足纳秒脉冲诱导技术的要求;据此设计一款纳秒脉冲源,其峰值电压在1 k V以上,脉宽范围在100 ns-100μs可调。按照这一要求,使用放电电容的架构,并引入可变电容阵列和Si C MOSFET阵列,通过模块化设计并研制了一款全参数可调的数字高压纳秒脉冲系统,其参数如下:脉冲脉宽可调范围为100 ns-100μs,峰值电压在2 k V,重复频率小于1.25 k Hz。高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的机制研究方面,首先探究了纳秒脉冲诱导细胞凋亡的时间窗口效应、场强阈值效应、脉冲剂量要求。接着,我们探明了强场纳秒脉冲对于肿瘤细胞和正常细胞凋亡的诱导能力是有一定的选择性,且选择能力和选择方向与脉冲宽度和脉冲强度均有关,针对于B16细胞和L929细胞,脉宽为300ns,电场强度为10 k V/cm的脉冲电场和脉宽为500ns,电场强度为8 k V/cm的脉冲电场都具有选择性,且选择方向完全相反。通过蛋白芯片技术和富集分析,明确了强场纳秒脉冲电场刺激癌细胞的生物学过程和分子生物学过程,并总结了纳秒脉冲诱导细胞凋亡的三步级联的凋亡通路。强场微秒/纳秒脉冲电场的互补效应研究方面,首先验证了纳秒脉冲电场可以触发动物对黑色素瘤的免疫效应,可以很好解决肿瘤的转移和复发的问题,但是纳秒脉冲无法完全根除源病灶中的肿瘤细胞。通过验证微秒脉冲对纳秒脉冲刺激肿瘤细胞凋亡后残存的肿瘤细胞的极强的细胞毒性,发现了微秒脉冲和纳秒脉冲在肿瘤治疗方面有明显的互补效应,并简要讨论了基于二者互补效应的疗法的可行性。