CN109171947A - 靶向消融细胞装置、方法、介质及电子设备 - Google Patents

靶向消融细胞装置、方法、介质及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种基于脉冲电场的靶向消融细胞装置、方法、介质及电子设备，包括：生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲；将高压电脉冲施加至目标细胞，其中，根据目标细胞的组分结构参数以及介电参数配置高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度。本发明实施例的技术方案可重复产生靶向作用在肿瘤干细胞诱导其焦亡的高压电脉冲，并通过电极施加到肿瘤干细胞和不可逆电穿孔消融逃逸的高恶性程度肿瘤细胞并诱导其焦亡。

Description

靶向消融细胞装置、方法、介质及电子设备
技术领域
本发明涉及肿瘤组织消融技术领域，具体而言，涉及一种基于脉冲电场的靶向消融细胞的装置、方法、介质及电子设备。
背景技术
当前肿瘤治疗中，无论是传统的放疗法、化疗法，还是热疗、分子免疫治疗等新兴治疗技术，临床上均存在剂量限制毒性DLT、生物抵抗或逃逸、脱靶效应引发肿瘤残存、肿瘤细胞抵抗及免疫系统破坏等，可以导致患者治疗预后差、肿瘤复发和肿瘤转移的医学难题。在我国肿瘤发病率与死亡率不断攀升的严峻形势下，针对高复发高转移的恶性肿瘤，如何克服肿瘤细胞的抵抗性和变异性，有效抑制治疗后的复发和转移，探索更为安全、有效的肿瘤治疗与精准治疗技术，仍是当前肿瘤治疗领域的主要攻关方向。
近年来，随着脉冲生物电学的不断发展，电场脉冲以其非热、微创的生物医学效应引起了研究人员的关注，而其中的不可逆电穿孔治疗肿瘤以其快捷、可控、可视、选择性和非热机理的优势和特色更是引起国内外生物电学领域研究人员的广泛关注，并逐渐应用于肿瘤的临床治疗。美国AngioDynamics公司投资生产商业化的不可逆电穿孔肿瘤治疗仪NanoKnife，于2009年获得FDA临床试验许可，并于2010年开展了世界首例不可逆电穿孔消融前列腺癌的临床试验，15位患者均完全康复，同时后期针对胰腺癌，肝癌，肾癌，前列腺癌等肿瘤的治疗也具有很好的效果。2015年获得中国大陆临床应用许可，目前已经在广州复大、上海瑞金等医院开展了不可逆电穿孔肿瘤治疗的临床应用。尽管微秒脉冲不可逆电穿孔技术作为一种新兴肿瘤消融技术在国内外的临床应用中取得了令人振奋的治疗效果，但在面对复杂多变、形态各异的肿瘤细胞及其潜伏在肿瘤群体里的肿瘤干细胞，微秒脉冲靶向肿瘤细胞外膜诱导其电穿孔的方式或导致肿瘤细胞群体内部形态异性肿瘤细胞亚群和潜伏在肿瘤群体内部的恶性程度较高的肿瘤干细胞亚群逃逸，导致肿瘤消融不彻底，引起治疗后的复发和转移，影响患者健康。因此，克服肿瘤细胞的异质性，有效实现肿瘤抵抗细胞或干细胞靶向消融，仍是脉冲电场肿瘤治疗领域亟需突破的研究方向。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于脉冲电场的靶向消融细胞的装置、方法、介质及电子设备，进而至少在一定程度上克服现有技术中肿瘤抵抗细胞或干细胞无法彻底消融等一个或多个问题。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种基于脉冲电场的靶向消融细胞的装置，包括：
脉冲形成模块和至少一个电极，脉冲形成模块电连接于至少一个电极；脉冲形成模块生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲，并通过至少一个电极将高压电脉冲施加至目标细胞，其中，
根据目标细胞的组分结构参数以及介电参数配置高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度。
在本发明的一个实施例中，上述至少一个电极将高压电脉冲施加至化疗抵抗性细胞，和\或放疗抵抗性细胞，和\或肿瘤干细胞。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块还用于生成由微秒陡脉冲和高压纳秒脉冲组成的高压电脉冲。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块还用于：
重复生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲，并通过至少一个电极将高压电脉冲施加至目标细胞。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块可以由模块化多电平结构、Marx结构、线性变压器驱动源、级联全桥结构、级联半桥结构进行组合构成。
在本发明的一个实施例中，上述至少一个电极包括：平板状电极、贴片状电极、针状电极、同轴电极。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块产生的高压电脉冲施加在体外，或施加在体内，或施加在离体。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块产生的高压电脉冲的波形包括：单极性方波，和/或双极性的方波，和/或梯形波，和/或三角波，和/或正弦波。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块产生的高压电脉冲经过傅里叶变换后所获得的频率范围与目标细胞的组分结构参数以及介电参数匹配。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块产生的高压电脉冲经过傅里叶变换后所获得的频率范围在500kHz至20GHz之间。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块产生的高压电脉冲的脉冲宽度范围在1ns至1000ns之间。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块产生的高压电脉冲的上升沿前沿大于等于高压电脉冲的脉冲宽度的1％，并小于等于高压电脉的冲脉冲宽度的50％。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块产生的高压电脉冲的上升前沿范围在100ps至100ns之间。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块产生的高压电脉冲施加在目标细胞上的电场强度范围在1kV/cm至1000kV/cm之间。
在本发明的一个实施例中，上述方法还包括：
脉冲参数测控装置，用于监测脉冲形成模块产生的高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度，获得监测结果，基于监测结果对高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度进行实时调整。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种基于脉冲电场的靶向消融细胞的方法，包括：
生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲；
将高压电脉冲施加至目标细胞，其中，
根据目标细胞的组分结构参数以及介电参数配置高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度。
在本发明的一个实施例中，上述将高压电脉冲施加至目标细胞包括：
将高压电脉冲施加至化疗抵抗性细胞，和\或放疗抵抗性细胞，和\或肿瘤干细胞。
在本发明的一个实施例中，上述生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲还包括：
生成由微秒陡脉冲和高压纳秒脉冲组成的高压电脉冲。
在本发明的一个实施例中，上述生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲还包括：
重复生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲。
在本发明的一个实施例中，上述将高压电脉冲施加至目标细胞包括：
通过平板状电极，或贴片状电极，或针状电极，或同轴电极，将高压电脉冲施加至目标细胞。
在本发明的一个实施例中，上述将高压电脉冲施加至目标细胞还包括：
将高压电脉冲施加在体外，或施加在体内，或施加在离体。
在本发明的一个实施例中，上述高压电脉冲的波形包括：单极性方波，和/或双极性的方波，和/或梯形波，和/或三角波，和/或正弦波。
在本发明的一个实施例中，上述生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲还包括：
对高压电脉冲进行傅里叶变换，获得的频率范围在500kHz至20GHz之间的高压电脉冲。
在本发明的一个实施例中，上述高压电脉冲的脉冲宽度范围在1ns至1000ns之间。
在本发明的一个实施例中，上述高压电脉冲的上升沿前沿大于等于高压电脉冲的脉冲宽度的1％，并小于等于高压电脉的冲脉冲宽度的50％。
在本发明的一个实施例中，上述高压电脉冲的上升前沿范围在100ps至100ns之间。
在本发明的一个实施例中，上述高压电脉冲施加在目标细胞上的电场强度范围在1kV/cm至1000kV/cm之间。
在本发明的一个实施例中，上述方法还包括：
监测高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度，获得监测结果；
基于监测结果对高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度进行实时调整。
根据本发明实施例的第三方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现如上述实施例中第二方面的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法。
根据本发明实施例的第四方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器实现如上述实施例中第二方面的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法。
本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
在本发明的一些实施例所提供的技术方案中，通过生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲；将高压电脉冲施加至目标细胞，其中，根据目标细胞的组分结构参数以及介电参数配置高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度。本发明实施例的技术方案可重复产生靶向作用在肿瘤干细胞诱导其焦亡的高压电脉冲，并通过电极施加到肿瘤干细胞和不可逆电穿孔消融逃逸的高恶性程度肿瘤细胞并诱导其焦亡。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示意性示出了根据本发明的一个实施例的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法的流程图。
图2示意性示出了根据本发明的一个实施例的脉冲电场靶向恶性肿瘤细胞消融电场形成设备的示意图。
图3示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞五层介电模型及网格剖分示意图。
图4示意性示出了根据本发明的一个实施例的脉冲作用细胞内外膜跨膜电位随外加电场频率关系的示意图。
图5示意性示出了根据本发明的一个实施例的场强为3kV/cm、脉宽10us脉冲作用下靶向细胞外膜电穿孔过程的示意图。
图6示意性示出了根据本发明的一个实施例的场强为15kV/cm、脉宽200ns脉冲作用下靶向细胞内膜电穿孔过程的示意图。
图7(a)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同脉冲宽度的脉冲作用下，细胞内电场分布的示意图。
图7(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同脉冲宽度的脉冲作用到细胞内的效率的示意图。
图8示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同尺寸大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
图9示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同细胞核大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
图10(a)和图10(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同细胞核大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
图11(a)和图11(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同细胞核大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
图12(a)和图12(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同细胞核大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
图13(a)和图13(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同细胞核大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
图14示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞毒性实验的示意图。
图15示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞毒性实验存活率的示意图。
图16示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞毒性划痕实验显微镜下图片的示意图。
图17示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞毒性划痕实验中间划痕间隙随时间变化的示意图。
图18示意性示出了根据本发明的一个实施例的A549细胞以及Ant-A549细胞显微成像图的示意图。
图19示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞毒性划痕实验中间划痕间隙随时间变化的示意图。
图20示意性示出了根据本发明的一个实施例的对A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后3h细胞存活率的示意图。
图21示意性示出了根据本发明的一个实施例的A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后12小时候细胞存活率的示意图。
图22示意性示出了根据本发明的一个实施例的对A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后3h后流式双染Annexin V/7AAD检测典型结果的示意图。
图23示意性示出了根据本发明的一个实施例的A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后3h后流式双染Annexin V/7AAD检测凋亡坏死结果的示意图。
图24示意性示出了根据本发明的一个实施例的对A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后3h后流式双染Annexin V/7AAD检测的坏死率的示意图。
图25示意性示出了根据本发明的一个实施例的A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后3h后流式双染Annexin V/7AAD检测的凋亡率的示意图。
图26示意性示出了根据本发明的一个实施例的对A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用消融情况图的示意图。
图27示意性示出了根据本发明的一个实施例的A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用消融面积的示意图。
图28示意性示出了根据本发明的一个实施例的对恶性肿瘤细胞黑色素瘤细胞在脉冲电场作用下细胞形态学变化的示意图。
图29示意性示出了根据本发明的一个实施例的对恶性肿瘤细胞黑色素瘤细胞在脉冲电场作用下Hela细胞形态学的示意图。
图30示意性示出了根据本发明的一个实施例的对恶性肿瘤细胞黑色素瘤细胞在脉冲电场作用后3h后流式双染Annexin V+/PI-表达结果的示意图。
图31示意性示出了根据本发明的一个实施例的对化疗抵抗的A549肿瘤细胞在脉冲电场作用下细胞形态和细胞内外膜荧光染色变化的示意图；
图32、图33和图34分别示意性示出了根据本发明的一个实施例的高压纳秒脉冲电场作用肿瘤细胞诱导其死亡过程中损伤相关分子模型的表达的实验结果图；
图35示意性示出了根据本发明的一个实施例的基于脉冲电场的靶向消融细胞装置的框图。
图36示出了适于用来实现本发明实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
图1示意性示出了根据本发明的一个实施例的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法的流程图。
参照图1所示，根据本发明的一个实施例的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法，包括以下步骤：
步骤S110，生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲；
步骤S120，将高压电脉冲施加至目标细胞。
图1所示实施例的技术方案通过生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲；将高压电脉冲施加至目标细胞，其中，根据目标细胞的组分结构参数以及介电参数配置高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度。本发明实施例的技术方案可重复产生靶向作用在肿瘤干细胞诱导其焦亡的高压电脉冲，并通过电极施加到肿瘤干细胞和不可逆电穿孔消融逃逸的高恶性程度肿瘤细胞并诱导其焦亡。
以下对图1中所示的各个步骤的实现细节进行详细阐述：
在步骤S110中，生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲；
在本发明的一个实施例中，根据目标细胞的组分结构参数以及介电参数配置高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度。
在本发明的一个实施例中，高压电脉冲由脉冲形成模块生成，脉冲形成模块电连接于至少一个电极，脉冲形成模块生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲，并通过至少一个电极将高压电脉冲施加至目标细胞。
在本发明的一个实施例中，上述至少一个电极将高压电脉冲施加至化疗抵抗性细胞，和\或放疗抵抗性细胞，和\或肿瘤干细胞。
在本发明的一个实施例中，高压电脉冲还可以由微秒陡脉冲和高压纳秒脉冲组合构成。
在本发明的一个实施例中，还可以重复生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲，并通过至少一个电极将高压电脉冲施加至目标细胞。
在本发明的一个实施例中，脉冲形成模块可以由模块化多电平结构、Marx结构、线性变压器驱动源、级联全桥结构、级联半桥结构进行组合构成。
在步骤S120中，将高压电脉冲施加至目标细胞。
在本发明的一个实施例中，通过至少一个电极将高压电脉冲施加至目标细胞。
在本发明的一个实施例中，上述至少一个电极可以是由平板状电极、贴片状电极、针状电极、同轴电极构成，或由平板状电极、贴片状电极、针状电极、同轴电极组合构成的电极阵列，其具体使用方式可以根据实际应用场景进行灵活配置。
在本发明的一个实施例中，上高压电脉冲施加至目标细胞的方式可以施加在体外，或施加在体内，或施加在离体。
在本发明的一个实施例中，上高压电脉冲的波形至少包括：单极性方波，和/或双极性的方波，和/或梯形波，和/或三角波，和/或正弦波等。
在本发明的一个实施例中，高压电脉冲经过傅里叶变换后所获得的频率范围与目标细胞的组分结构参数以及介电参数匹配，并且高压电脉冲经过傅里叶变换后所获得的频率范围在500kHz至20GHz之间。
在本发明的一个实施例中，高压电脉冲的脉冲宽度范围在1ns至1000ns之间。
在本发明的一个实施例中，高压电脉冲的上升沿前沿大于等于高压电脉冲的脉冲宽度的1％，并小于等于高压电脉的冲脉冲宽度的50％。
在本发明的一个实施例中，高压电脉冲的上升前沿范围在100ps至100ns之间。
在本发明的一个实施例中，高压电脉冲施加在目标细胞上的电场强度范围在1kV/cm至1000kV/cm之间。
在本发明的一个实施例中，上述方法还包括：监测高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度，获得监测结果；基于监测结果对高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度进行实时调整。
图2示意性示出了根据本发明的一个实施例的脉冲电场靶向恶性肿瘤细胞消融电场形成设备的示意图。
参照图2所示，根据本发明的一个实施例的脉冲电场靶向恶性肿瘤细胞消融电场形成设备的示意图，包括：电源201、高压脉冲产生单元202、输出切换单元203、电极阵列204、用户界面205以及控制单元206。
在本发明的一个实施例中，上述高压脉冲产生单元202用来产生靶向选择作用恶性肿瘤细胞所需要的高压电脉冲，电极阵列204用于接收高压脉冲产生单元202产生的高压电脉冲信号，并施加到目标细胞(需要消融的组织或细胞，例如：化疗抵抗性细胞、或放疗抵抗性细胞、肿瘤干细胞等目标细胞)中。
在本发明的一个实施例中，上述电源201用来为脉冲电场靶向恶性肿瘤细胞消融设备以及各个单元供电，高压脉冲产生单元202用于产生靶向选择性作用于恶性肿瘤细胞所需的高压电脉冲，输出切换单元203用于控制施加到电极阵列上的信号，实现多针使用时脉冲电场的有效传递，控制单元206用来对脉冲电场靶向恶性肿瘤细胞消融设备各个单元的操作进行控制和监测，用户界面205用来提供用户输入、治疗过程控制及检测等功能。
图2所示实施例的脉冲电场靶向恶性肿瘤细胞消融的设备，通过电极施加高幅值窄脉冲宽度的脉冲电场作用于细胞或组织，由于肿瘤细胞和抵抗细胞的物理形态学和电学差异，使得脉冲电场能靶向作用于肿瘤抵抗细胞的细胞核、线粒体等细胞器内电效应，从而启动肿瘤抵抗细胞的死亡通路，导致肿瘤抵抗细胞的死亡。
下面根据靶向选择性作用肿瘤抵抗细胞的原理对本发明所提出的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法进行详细说明。
在本发明的一个实施例中，同一细胞对不同的脉冲参数具有窗口选择效应，大于细胞膜充电时间常数的脉宽的脉冲电场可靶向主要作用于细胞外膜，而小于细胞膜充电时间常数的脉宽的脉冲可靶向作用于胞内细胞器，例如细胞核、线粒体等。
图3示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞五层介电模型及网格剖分示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图3所示，以COMOSL Multiphysics软件为仿真计算平台，运用电流模块进行频域分析，建立了单细胞五层介电模型，电场通过相对的两个铜质电极施加，电极间距为0.2cm，一个电极施加电势，另一个电极设置为接地，所有区域边界均设置为电绝缘。
在本发明的一个实施例中，细胞五层介电模型频率下跨膜电位仿真模型参数如下表所示：
图4示意性示出了根据本发明的一个实施例的脉冲作用细胞内外膜跨膜电位随外加电场频率关系的示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图4所示，在此细胞的介电分布下，当外加电场频率低于104Hz时，脉冲电场主要作用于细胞外膜诱导外膜跨膜电位产生，细胞内膜对低频分量具滤波作用；当外加电场频率在中频104Hz～2×105Hz之间时，外加电场的作用均会诱导细胞内外膜跨膜电位产生，但外膜的跨膜电位高于内膜的响应；当外加电场频率在2×105Hz～1×108Hz之间时，脉冲电场作用下细胞内膜的响应速度高于细胞外膜；而当外加电场的频率高于1×108Hz时，由于内外膜的响应速度均跟不上外加电场的作用，内外膜跨膜电位响应均很低。
在本发明的一个实施例中，以COMOSL Multiphysics软件为仿真计算平台，运用电流模块和偏微分方程模型进行时域计算，分析脉冲电场作用下单细胞的穿孔过程。如上述构建相同的物理几何模型，根据式(1)求解域的电场分布，通过细胞膜、核膜内外电位差求解内外膜的跨膜电位，见式(2)：
△Ψ＝Ψi(t)-Ψ0(t) (2)；
通过偏微分方程模块，构建脉冲电场作用下的细胞的电穿孔模型，求解脉冲电场做下细胞电穿孔的穿孔过程：
其中，N表示膜的穿孔密度。
下面分别以脉宽为10us、场强为1.5kV/cm的脉冲和脉宽为200ns、场强为15kV/cm的脉冲为例分别对本发明所提出的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法进行详细说明。
图5示意性示出了根据本发明的一个实施例的场强为3kV/cm、脉宽10us脉冲作用下靶向细胞外膜电穿孔过程的示意图。
参照图5所示，细胞膜的跨膜电位首先达到穿孔阈值，细胞膜表面逐渐发生大面积的穿孔，而细胞核膜难以达到穿孔阈值而未有穿孔区域发生。
图6示意性示出了根据本发明的一个实施例的场强为15kV/cm、脉宽200ns脉冲作用下靶向细胞内膜电穿孔过程的示意图。
图7(a)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同脉冲宽度的脉冲作用下，细胞内电场分布的示意图。
图7(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同脉冲宽度的脉冲作用到细胞内的效率的示意图。
参照图7(a)和7(b)所示，由于窄脉冲宽度对细胞内作用的效率更高，细胞内膜的响应速度高于细胞外膜的响应速度，在高场强的作用下，参照图6所示，细胞内膜跨膜电位先达到穿孔阈值而逐渐发生大面积的穿孔，如此，外加电场作用对细胞的作用靶区具有选择性作用，表现出脉冲参数窗口效应，那么可以通过脉冲参数的调节来调节脉冲作用靶区诱导不同的细胞响应。
图8示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同尺寸大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图8所示，其示出了为不同尺寸大小的细胞在电场作用下的跨膜电位的频域分布，在核大小保持不变的情况下，尺寸越大的细胞在敏感频率范围内其所响应的跨膜电位的值越大。
图9示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同细胞核大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图9所示，在细胞大小保持不变而核逐渐增大的情况下，即细胞核质比越大，在内膜响应的频率窗口内，细胞核膜的跨膜电位越高，而细胞膜上跨膜电位分布无明显变化。因此，在低频情况下，脉冲靶向作用于细胞外膜，且细胞尺寸越大，响应越敏感；而在中高频阶段，电场靶向作用于细胞内细胞膜器膜(细胞核膜)，且细胞核越大，响应越敏感。
在本发明的一个实施例中，由于细胞或肿瘤细胞各组分介电参数的差异，使得其在脉冲电场作用下的电响应特性也会有所不同。细胞膜或核膜可以作为一个电容介质，其充电时间常数可有如下时间常数进行计算：
其中，R为半径，Cm为膜电容，si为膜内电导率，se为膜外电导率，则细胞膜的充电时间常数主要与细胞外液电导率、细胞质电导率、与膜电容相关，而细胞核膜的充电时间常数主要与细胞质电导率、细胞核质电导率以及细胞核膜电容相关。由于跨膜电位与细胞内外膜的充放电过程息息相关，因而电场作用下内外膜跨膜电位的频域分布主要与细胞外介质、细胞膜、细胞质、细胞核膜、细胞核质的电导率以及细胞膜、细胞质、细胞核膜的介电常数相关系，而与细胞外介质介电常数和细胞核质介电常数无关。
图10(a)和图10(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同细胞核大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图10(a)和图10(b)所示，细胞膜电导率主要影响低频下的跨膜电位的幅值，细胞膜电导率越高，相同频率点下，细胞膜跨膜电位越低，相反，细胞核膜在低频下的跨膜电位越高；细胞膜的介电常数影响细胞内外膜电场响应的频率窗口，细胞膜介电常数越高，细胞膜电场响应的频率窗口缩小，窗口的下降沿左移，细胞核膜电场响应的频率窗口也缩小，其窗口的上升沿右移。
图11(a)和图11(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同细胞核大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图11(a)和图11(b)所示，细胞质的电导率不影响外膜的跨膜电位幅值；细胞质的电导率越高，细胞膜电场响应的频率窗口增大，窗口的下降沿右移；细胞核膜电场响应的频率窗口缩小，其窗口的上升沿右移，同时其跨膜电位的幅值降低。
图12(a)和图12(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同细胞核大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图12(a)和图12(b)所示，细胞核膜的电导率对细胞外膜的跨膜电位的频域分布无显著性影响，主要影响细胞核膜的跨膜电位分布，细胞核膜的电导率越大，细胞核膜的跨膜电位越低，同时细胞核膜电场响应的频率窗口缩小，其窗口的上升沿右移。同时细胞核膜的介电常数对细胞外膜的跨膜电位的频域分布也无显著性影响，主要影响细胞核膜电场响应的频率窗口，细胞核膜的介电常数越大，细胞核膜电场响应的频率窗口越小，其窗口的下降沿越左移。
图13(a)和图13(b)示意性示出了根据本发明的一个实施例的不同细胞核大小的细胞在电场作用下跨膜电位与频率的关系示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图13(a)和图13(b)所示，细胞核质的电导率不影响细胞外膜的跨膜电位，一定程度上调节细胞核膜的跨膜电位幅值，细胞核质的电导率越大，其细胞核膜的跨膜电位幅值越高，而细胞核质的介电常数对细胞内外膜的跨膜电位均不影响。因此，细胞的物理特性和电学特性都影响着电场作用下细胞的响应特性，细胞的形状大小以及各组分介电参数调节着电场作用的效应窗口，即不同的细胞可根据其形态特性和电学特性特异选择靶向作用细胞膜或胞内细胞器的有效电场窗口参数。
下面以正常的肺癌细胞A549细胞以及耐顺铂的抵抗肺癌细胞(Ant-A549细胞)为研究对象对本发明所提出的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法进行阐述。
图14示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞毒性实验的示意图。
图15示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞毒性实验存活率的示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图14和图15所示，Ant-A549细胞在一定顺铂浓度作用下能够正常分化生长，对顺铂具有药物抵抗作用。
图16示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞毒性划痕实验显微镜下图片的示意图。
图17示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞毒性划痕实验中间划痕间隙随时间变化的示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图16和图17所示，Ant-A549细胞具有更强的迁移能力。同时，通过荧光显微镜和激光工具焦成像获取两种细胞的物理形态学差异。
图18示意性示出了根据本发明的一个实施例的A549细胞以及Ant-A549细胞显微成像图的示意图。
图19示意性示出了根据本发明的一个实施例的细胞毒性划痕实验中间划痕间隙随时间变化的示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图18和图19所示，耐药性抵抗的肿瘤细胞和其本源的肿瘤细胞在细胞大小上无显著性差异，但耐药性抵抗的肿瘤细胞有更大的细胞核，其核质比达82.9％。
图20示意性示出了根据本发明的一个实施例的对A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后3h细胞存活率的示意图。
图21示意性示出了根据本发明的一个实施例的A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后12小时候细胞存活率的示意图。
在本发明的一个实施例中，采用下表中的参数的脉冲参数对A549细胞以及Ant-A549进行实验：
在本发明的一个实施例中，参照图20和图21所示的实验结果，通过电极杯转载细胞悬液，进行脉冲刺激，采用cck-8测量3h和12小时后的细胞存活率，在相同脉冲参数刺激下，A549细胞及Ant-A549细胞的存活率表现出明显差异，脉冲电场对Ant-A549细胞的杀伤效果明显高于A549。
图22示意性示出了根据本发明的一个实施例的对A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后3h后流式双染Annexin V/7AAD检测典型结果的示意图。
图23示意性示出了根据本发明的一个实施例的A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后3h后流式双染Annexin V/7AAD检测凋亡坏死结果的示意图。
图24示意性示出了根据本发明的一个实施例的对A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后3h后流式双染Annexin V/7AAD检测的坏死率的示意图。
图25示意性示出了根据本发明的一个实施例的A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用后3h后流式双染Annexin V/7AAD检测的凋亡率的示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图22至图25所示的实验结果，在200ns脉冲电场作用下，A549细胞以及Ant-A549细胞的凋亡和坏死率具有显著差异；其中，在200ns脉冲电场作用下，参照图23所示，主要诱导细胞的凋亡性死亡，同时，参照图24和图25所示，在相同脉冲参数作用下，Ant-A549具有更高的凋亡率和坏死率。
图26示意性示出了根据本发明的一个实施例的对A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用消融情况图的示意图。
图27示意性示出了根据本发明的一个实施例的A549细胞以及Ant-A549细胞进行脉冲电场作用消融面积的示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图26和图27的实验结果，在0时刻将细胞重新传代，取对数生长期(12小时-24小时)细胞制成细胞悬液，进行铺板24h小时后，采用针电极(间距为2mm)进行脉冲处理(脉冲参数为幅值15kV/cm，脉宽200ns，个数80)。处理后3h后用钙黄绿素和PI进行染色，通过荧光显微镜观察消融区域。参照图26所示，相对于正常的肿瘤细胞A549细胞，在该纳秒脉冲作用下，耐顺铂的抵抗肺癌细胞Ant-A549有更大的消融区域，并且在电极针中间区域，消融更加彻底，而正常的肿瘤细胞A549细胞在消融区中心还有残留的肿瘤细胞，通过电场仿真对脉冲电场作用下单层肿瘤细胞的消融阈值进行分析发现，正常的肺癌细胞A549细胞在脉冲(脉冲参数为幅值15kV/cm，脉宽200ns，个数80)作用下的消融阈值为13kV/cm，而耐顺铂的抵抗肺癌细胞Ant-A549的消融阈值为8kV/cm，即同一参数的电场脉冲作用对耐顺铂的抵抗肺癌细胞Ant-A549有更大的消融区，同时消融更加彻底。
下面以恶性肿瘤细胞黑色素瘤细胞为研究对象为例对本发明所提出的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法进行阐述。
图28示意性示出了根据本发明的一个实施例的对恶性肿瘤细胞黑色素瘤细胞在脉冲电场作用下细胞形态学变化的示意图。
图29示意性示出了根据本发明的一个实施例的对恶性肿瘤细胞黑色素瘤细胞在脉冲电场作用下Hela细胞形态学的示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图28和图29所示，在0时刻将细胞重新传代，进行铺板，24h小时后，采用微型平板电极(间距为2mm)进行脉冲处理(脉冲参数为幅值15kV/cm，脉宽200ns，个数80)。实时监测脉冲作用下的细胞形态变化，每隔1s进行显微成像。可见，肿瘤细胞在脉冲电场作用下，其膜外逐渐产生小泡，随着脉冲的施加和时间的增加，小泡逐渐扩大，但细胞膜形态保持良好，细胞膜渗透性增大，胞内物质往外溢出。
图30示意性示出了根据本发明的一个实施例的对恶性肿瘤细胞黑色素瘤细胞在脉冲电场作用后3h后流式双染Annexin V+/PI-表达结果的示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图30所示，由于流式双染结果显示脉冲参数为幅值15kV/cm，脉宽200ns，个数80的脉冲作用下，显示annexin V呈现阳性，即该形态变化为典型的细胞焦亡形态变化：焦亡细胞在形态上表现为细胞核浓缩，染色质DNA断裂以及TUNEL或annixin V染色阳性，细胞膜完整性丧失吼胞内物质释放。
图31示意性示出了根据本发明的一个实施例的对化疗抵抗的A549肿瘤细胞在脉冲电场作用下细胞形态和细胞内外膜荧光染色变化的示意图。
在本发明的一个实施例中，参照图31所示，在0时刻将细胞重新传代，取其对数生长期时候，用胰酶消化1min后进行离心(800r/min,5mins)，弃去上清液，用培养液重悬后进行计数，调整细胞浓度为5×105cells/mL后，进行铺板，每孔5×105cells/well,每孔添加150uL的CellLightTMNucleus-RFP,BacMam 2.0和2.1CellLightTMTubulin-GFP,BacMam2.0，过夜，16h后，弃去上清液，用PBS清洗一次后，放入实验室自制微电极(长为35mm×宽5.4mm×厚1.6mm,中心电极长5mm×厚1.6mm，电极间距2mm)，放置在荧光显微镜(LeicaDMi8,德国)载物台上，固定后加入新鲜完全培养基直至培养基没过电极，进行脉冲电场处理，(脉冲参数为幅值15kV/cm，脉宽200ns，个数80)。实时监测脉冲作用下的细胞形态变化，每隔1s进行显微成像。可见，在该纳秒脉冲电场作用下，细胞核膜的荧光强度逐渐减弱，红色荧光逐渐消散，细胞膜的形态发生变化，荧光强度也逐渐消散，但在脉冲作用后短时间内荧光强度依旧保持在一定值。除此之外，其明场下形态变化与上述变化特征一致：其膜外逐渐产生小泡，随着脉冲的施加和时间的增加，小泡逐渐扩大，但细胞膜形态保持良好，细胞膜渗透性增大，胞内物质往外溢出。一方面说明了高压纳秒脉冲靶向作用胞内细胞核，诱导细胞核膜荧光消散，同时细胞形态变化与上述调亡坏死检测结果，也说明其符合焦亡的形态特征。
图32、图33和图34分别示意性示出了根据本发明的一个实施例的高压纳秒脉冲电场作用肿瘤细胞诱导其死亡过程中损伤相关分子模型的表达的实验结果图。
在本发明的一个实施例中，在0时刻，将细胞传代至新的培养瓶，在培养里培养24h；24h后，取出培养瓶，用胰酶消化1min，培养液终止消化后进行离心(800r/min,5min)，弃去上清液，用培养液重悬；进行细胞计数，将细胞悬液的浓度调节至1×107cells/mL；采用电极杯中进行脉冲处理后，每20uL放于一个孔中，加入180uL的培养液(即2×105cells/well)；3h后，将96孔板离心(1200r/min,3min)，弃去上清液。后进行Western blot对Caspase-1、Caspase-3、GSDMD、PARP及其切割片段表达进行检测，验证上游蛋白组成炎性复合体激活Caspase-1，切割下游Gasdermin家族蛋白中的GSDMD，GSDMD释放其N端片段，去识别并结合细胞膜上的磷脂类分子，导致焦亡这一死亡通路。焦亡细胞膜破裂，导致胞内容物释放并激活强烈的炎症反应，是机体一种重要的天然免疫反应。对免疫原性死亡的损伤相关分子模式(Danger Associated Molecular Patterns,DAMPs)的表达进行，脉冲处理组均有显著表达，参照图32、图33、图34所示，相对于对照组而言，在脉冲作用下细胞的高迁移率族蛋白HMGB1的释放量增多、钙网蛋白CRT分泌量上调、热休克蛋白Hsp70的表达也上升，并且场强越高，其表达越高。
以下介绍本发明的装置实施例，可以用于执行本发明上述的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法。
图35示意性示出了根据本发明的一个实施例的基于脉冲电场的靶向消融细胞装置的框图。
参照图35所示，根据本发明的一个实施例的基于脉冲电场的靶向消融细胞装置3500，包括：
脉冲形成模块3501和至少一个电极3502，脉冲形成模块3501电连接于至少一个电极3502；脉冲形成模块3501生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲，并通过至少一个电极3502将高压电脉冲施加至目标细胞，其中，
根据目标细胞的组分结构参数以及介电参数配置高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度。
在本发明的一个实施例中，上述至少一个电极将高压电脉冲施加至化疗抵抗性细胞，和\或放疗抵抗性细胞，和\或肿瘤干细胞。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块3501还用于生成由微秒陡脉冲和高压纳秒脉冲组成的高压电脉冲。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块3501还用于：
重复生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲，并通过至少一个电极将高压电脉冲施加至目标细胞。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块3501可以由模块化多电平结构、Marx结构、线性变压器驱动源、级联全桥结构、级联半桥结构进行组合构成。
在本发明的一个实施例中，上述至少一个电极3502包括：平板状电极、贴片状电极、针状电极、同轴电极。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块3501产生的高压电脉冲施加在体外，或施加在体内，或施加在离体。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块3501产生的高压电脉冲的波形包括：单极性方波，和/或双极性的方波，和/或梯形波，和/或三角波，和/或正弦波。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块3501产生的高压电脉冲经过傅里叶变换后所获得的频率范围与目标细胞的组分结构参数以及介电参数匹配。
在本发明的一个实施例中，上脉冲形成模块3501产生的高压电脉冲经过傅里叶变换后所获得的频率范围在500kHz至20GHz之间。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块3501产生的高压电脉冲的脉冲宽度范围在1ns至1000ns之间。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块3501产生的高压电脉冲的上升沿前沿大于等于高压电脉冲的脉冲宽度的1％，并小于等于高压电脉的冲脉冲宽度的50％。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块3501产生的高压电脉冲的上升前沿范围在100ps至100ns之间。
在本发明的一个实施例中，上述脉冲形成模块3501产生的高压电脉冲施加在目标细胞上的电场强度范围在1kV/cm至1000kV/cm之间。
在本发明的一个实施例中，上述方法还包括：
脉冲参数测控装置3503，用于监测脉冲形成模块产生的高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度，获得监测结果，基于监测结果对高压电脉冲的波形和高压电脉冲产生的电场强度进行实时调整。
由于本发明的示例实施例的基于脉冲电场的靶向消融细胞装置的各个功能模块与上述基于脉冲电场的靶向消融细胞方法的示例实施例的步骤对应，因此对于本发明装置实施例中未披露的细节，请参照本发明上述的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法的实施例。
根据本发明实施例所提供的基于脉冲电场的靶向消融细胞的装置、设备、方法、介质及电子设备，由于肿瘤细胞大小形态不一，通常比它的源细胞体积要大，生长速度快，核质比显著高于正常细胞，可达1：1，正常的分化细胞核质比仅为1:4-6。核形态不一，并可出现巨核、双核或多核现象，肿瘤抵抗细胞和肿瘤干细胞在形态学上可拥有更大的核，具有更好的分化能力。因此，采用微秒级脉冲序列可把靶向作用于细胞外膜，相对于正常细胞，微秒级脉冲电场对肿瘤细胞具有更强杀伤效果；而由于肿瘤细胞中潜伏的肿瘤抵抗细胞和肿瘤干细胞在形态学和电学上的差异导致脉冲电场作用下逃逸，导致恶性肿瘤治疗后的复发转移，针对其次类亚类细胞，可采用纳秒级脉冲序列靶向选择性作用于肿瘤抵抗细胞和肿瘤干细胞，在靶向治疗区内杀伤肿瘤抵抗细胞，同时在保证不损伤正常细胞的情况下，靶向杀伤在正常组织区域内的肿瘤浸润细胞。同时，当脉冲宽度降低至纳秒级，电场靶向作用于胞内细胞器，可诱导肿瘤细胞免疫原性死亡，甚至发生不同于传统的死亡方式焦亡，调节肿瘤微环境的免疫能力，激发机体抗肿瘤免疫应答，恢复机体淋巴细胞和巨噬细胞的免疫活性，改善肿瘤的预后。结合微纳秒的靶向选择性优势，通过参数调节，合理联合微纳秒脉冲电场作用实现治疗靶区的完全消融。
下面参考图36，其示出了适于用来实现本发明实施例的电子设备的计算机系统3600的结构示意图。图36示出的电子设备的计算机系统3600仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图36所示，计算机系统3600包括中央处理单元(CPU)3601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)3602中的程序或者从存储部分3608加载到随机访问存储器(RAM)3603中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 3603中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 3601、ROM 3602以及RAM 3603通过总线3604彼此相连。输入/输出(I/O)接口3605也连接至总线3604。
以下部件连接至I/O接口3605：包括键盘、鼠标等的输入部分3606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分3607；包括硬盘等的存储部分3608；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分3609。通信部分3609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器3610也根据需要连接至I/O接口3605。可拆卸介质3611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器3610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分3608。
特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分3609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质3611被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)3601执行时，执行本申请的系统中限定的上述功能。
需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现如上述实施例中的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法。
例如，上述的电子设备可以实现如图1中所示的：步骤S110，生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲；步骤S120，将高压电脉冲施加至目标细胞。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (30)

1.一种基于脉冲电场的靶向消融细胞装置，其特征在于，包括：脉冲形成模块和至少一个电极，所述脉冲形成模块电连接于所述至少一个电极；所述脉冲形成模块生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲，并通过所述至少一个电极将所述高压电脉冲施加至目标细胞，其中，
根据所述目标细胞的组分结构参数以及介电参数配置所述高压电脉冲的波形和所述高压电脉冲产生的电场强度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个电极将所述高压电脉冲施加至化疗抵抗性细胞，和\或放疗抵抗性细胞，和\或肿瘤干细胞。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲形成模块还用于生成由微秒陡脉冲和高压纳秒脉冲组成的高压电脉冲。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲形成模块还用于：
重复生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲，并通过所述至少一个电极将所述高压电脉冲施加至目标细胞。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲形成模块可以由模块化多电平结构、Marx结构、线性变压器驱动源、级联全桥结构、级联半桥结构、Blumlein传输结构等进行组合构成。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个电极包括：平板状电极、贴片状电极、针状电极、同轴电极。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，将所述脉冲形成模块产生的高压电脉冲施加在体外，或施加在体内。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲形成模块产生的高压电脉冲的波形包括：单极性方波，和/或双极性的方波，和/或梯形波，和/或三角波，和/或正弦波和/或指数衰减波，和/或锯齿波。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲形成模块产生的高压电脉冲经过傅里叶变换后所获得的频率范围与所述目标细胞各组分结构参数以及介电参数匹配。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述脉冲形成模块产生的高压电脉冲经过傅里叶变换后所获得的频率范围在500kHz至20GHz之间。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲形成模块产生的高压电脉冲的脉冲宽度范围在1ns至1000ns之间。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述脉冲形成模块产生的高压电脉冲的上升沿前沿大于等于所述高压电脉冲的脉冲宽度的1％，并小于等于所述高压电脉的冲脉冲宽度的50％。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述脉冲形成模块产生的高压电脉冲的上升前沿范围在100ps至100ns之间。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲形成模块产生的高压电脉冲施加在所述目标细胞上的电场强度范围在1kV/cm至1000kV/cm之间。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
脉冲参数测控装置，用于监测所述脉冲形成模块产生的高压电脉冲的波形和所述高压电脉冲产生的电场强度，获得监测结果，基于所述监测结果对所述高压电脉冲的波形和所述高压电脉冲产生的电场强度进行实时调整。
16.一种基于脉冲电场的靶向消融细胞方法，其特征在于，包括：
生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲，其中，根据所述目标细胞的组分结构参数以及介电参数配置所述高压电脉冲的波形和所述高压电脉冲产生的电场强度；
将所述高压电脉冲施加至目标细胞。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述将所述高压电脉冲施加至目标细胞包括：
将所述高压电脉冲施加至化疗抵抗性细胞，和\或放疗抵抗性细胞，和\或肿瘤干细胞。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲还包括：
生成由微秒陡脉冲和高压纳秒脉冲组成的高压电脉冲。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲还包括：
重复生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述将所述高压电脉冲施加至目标细胞包括：
通过平板状电极，或贴片状电极，或针状电极，或同轴电极，将所述高压电脉冲施加至目标细胞。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述将所述高压电脉冲施加至目标细胞还包括：
将所述高压电脉冲施加在体外，或施加在体内，或施加在离体。
22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述高压电脉冲的波形包括：单极性方波，和/或双极性的方波，和/或梯形波，和/或三角波，和/或正弦波。
23.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述生成靶向消融目标细胞的高压电脉冲还包括：
对高压电脉冲进行傅里叶变换，获得的频率范围在500kHz至20GHz之间的高压电脉冲。
24.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述高压电脉冲的脉冲宽度范围在1ns至1000ns之间。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述高压电脉冲的上升沿前沿大于等于所述高压电脉冲的脉冲宽度的1％，并小于等于所述高压电脉的冲脉冲宽度的50％。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述高压电脉冲的上升前沿范围在100ps至100ns之间。
27.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述高压电脉冲施加在所述目标细胞上的电场强度范围在1kV/cm至1000kV/cm之间。
28.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
监测所述高压电脉冲的波形和所述高压电脉冲产生的电场强度，获得监测结果；
基于所述监测结果对所述高压电脉冲的波形和所述高压电脉冲产生的电场强度进行实时调整。
29.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求16至28中任一项所述的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法。
30.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求16至28中任一项所述的基于脉冲电场的靶向消融细胞方法。
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