Tế bào thường và tế bào ung thư

3 Phương pháp kết hợp

3.3.2 Tế bào thường và tế bào ung thư

Ung thư được sinh ra từ một chuỗi các đột biến. Mỗi đột biến sẽ làm thay đổi phần nào các tính chất của tế bào.

Sự tạo thành ung thư, Carcinogenesis là quá trình mà qua đó các tế bào thường bị biến đổi thành tế bào ung thư (tế bào ác tính).

Sự phân bào là quá trình sinh lý có mặt trong hầu hết các mô dưới nhiều điều kiện khác nhau. Trong điều kiện thường, sự cân bằng giữa số tế bào mới được sinh ra và số tế bào chết đi, thường dưới dạng apoptosis, được giữ ổn định bởi sự điều chỉnh chặt chẽ của cả hai quá trình này để đảm bảo tính toàn vẹn của các cơ quan và các mô. Đột biến trong ADN mà dẫn đến ung thư (chỉ những đột biến nhất định dẫn đến ung thư và phần chủ yếu của các đột biến điện thế là không mang) phá vỡ các quá trình do xáo trộn sự điều chỉnh vận hành các quá trình này.

Carcinogenesis xuất hiện do đột biết vật liệu gen của các tế bào thường, làm xáo trộn sự cân bằng vốn có giữa sinh bào và huỷ bào. Điều này dẫn đến sự phân bào xấu và sự phát triển của những tế bào này qua quá trình chọn lọc tự nhiên của cơ thể. Sự sinh bào vượt khỏi tầm kiểm soát của cơ chế cân bằng sẽ dẫn đến những u lành; Một vài trường hợp khác có thể chuyển thành u ác tính (ung thư).Các u lành không tản ra các phần khác của cơ thể hay xâm nhập sang các mô khác, và chúng rất ít khi đe doạ đến sự sống ngoài việc chúng làm co lại các cấu trúc sống hoặc các hoạt động sinh lý, như hoạt động sản sinh hoocmon. Các khối u ác tính, ngược lại sẽ xâm nhập vào các cơ quan, trải rộng ra các khu vực xa (di căn) và trở thành mối đe doạ của sự sống.

Tiếp theo, ta áp dụng phương pháp tính toán đối với các tế bào ung thư và tế bào thường chống lại tác dụng của các xung điện dạng hình thang

với thời gian xung lên là 10ns và xuống là 50ns và cường độ 45kV /cm [2]. Từ đó chỉ ra các đặc tính năng lượng riêng của tế bào thường và tế bào xấu.

Trước tiên, ta sử dụng các thông số của màng như trong cột hai và cột ba của bảng. 3.1. Ở đây, ta vẽ các kết quả điện thế màng trong hai trường hợp. Trong cả hai trường hợp chỉ ra trong các hình 3.14, 3.15, Các điện

1.´10-7 2.´10-7 3.´10-7 4.´10-7 5.´10-7 6.´10-7TimeHsL 1 2 3 4 5 DYOrg,DYCellHVL Hình 3.14: Điện thế của màng TB (Đường liền) và của màng bào quan (Đường gạch) của TB B thường

1.´10-7 2.´10-7 3.´10-7 4.´10-7 5.´10-7 6.´10-7TimeHsL 1 2 3 4 5 DYOrg,DYCellHVL Hình 3.15: Điện thế của màng TB (Đường liền) và của màng bào quan (Đường gạch) của TB B ung thư.

thế màng ngoài luôn lớn hơn các điện thế của màng trong trong toàn bộ khoảng thời gian tác dụng xung. Các kết quả này sai khác với những kết quả trong nghiên cứu của Joshi. Sự khác biệt này có thể giải thích như sau.

Theo nghiên cứu của Joshi [2], khi kích thích xung điện 500ns, tế bào đạt đến trạng thái ổn định ban đầu với sự phân bố cân bằng của các lỗ trong màng. Từ phương trình 3.10, sau một chu kỳ thời gian, mật độ lỗ đạt được là No và do đó, độ dẫn của màng sẽ cao hơn trong trường hợp ban đầu N = 0. Vậy nên, ta chọn các độ dẫn hiệu dụng của màng ngoài và trong thông thường theo các số liệu trong bài báo của Joshi. Có nghĩa là σ1m = 1.1 × 10−2 và σ2m = 3.1× 10−2 là các giá trị ban đầu. Điểm thứ hai được chọn là trong khoảng thời gian rất ngắn ban đầu khi mô phỏng, độ dẫn của màng ngoài thay đổi đáng kể đến giá trị gây ra hiện tượng electroporation.[2]. Đối với các tế bào ung thư, chúng tương ứng là

5.2×10−2 đối với màng ngoài và 8.6×10−2 đối với màng trong.

1.´10-7 2.´10-7 3.´10-7 4.´10-7 5.´10-7 6.´10-7TimeHsL 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 DYOrg,DYCellHVL Hình 3.16: Điện thế của màng TB (Đường liền) và của màng bào quan (Đường gạch) của TB B thường, sử dụng các thông số mới. 1.´10-7 2.´10-7 3.´10-7 4.´10-7TimeHsL 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 DYOrg,DYCellHVL

Hình 3.17: Điện thế của màng tế bào (Đường liền) và của màng bào quan (Đường gạch) của TB B ung thư, sử dụng các thông số mới.

3.17. Với độ dẫn hiệu dụng của màng trong và màng ngoài, các kết quả cho thấy sự phù hợp với các kết quả của Joshi và chỉ ra ảnh hưởng của xung cực mạnh và ngắn đối với cấu trúc bên trong của tế bào bị kích thích.

Vì phương pháp giải tích, ta có sự phân bố điện thế tức thời của toàn bộ không gian và toàn bộ chu kỳ tác dụng xung nên nó cũng rất thuận tiện khi tính toán sự hao phí năng lượng của các xung tác dụng lên tế bào. Mặc dù năng lượng hao phí được đánh giá thông qua các tính chất chiếm ưu thế của mô, ở đây ta không xem xét sự không đều trong sự phân bố của trường. Thêm vào đó, dòng nhiệt luôn được phân bố lại giữa các miền trong tế bào mà ta đã không tính đến trong khoảng thời gian rất ngắn

10ns [5]. Để so sánh, ta cũng áp dụng các trường xung sin đối với các tế bào thường và tế bào ung thư và chỉ ra sự khác biệt giữa các xung ngắn và xung dài, hình 3.18, 3.19. Trong tính toán này, ta không xét sự phục hồi điện môi tuy sự phục hồi điện môi tồn tại đáng kể khi điện trường có tần số cao hơn (1012Hz) bởi vì nó gây ra thay đổi nhỏ đối với trong tất cả các hướng của năng lượng hao phí. Cụ thể, sự phục hồi điện môi chỉ gây ra sự hao phí lớn hơn khi điện trường có tần số cao.

Hình vẽ tiếp theo xem xét năng lượng tổng cộng khi tác dụng xung lên tế bào (hình 3.20). Ta sử dụng phương trình cho năng lượng tiêu thụ trong

4 6 8 10 12 LOG10 Ω 8 9 10 11 12 LogHPL

Hình 3.18: Sự phân bố năng lượng của TB B thường theo tần số, (Đường đậm: màng trong, đường liền nhạt: màng ngoài, đường gạch: môi trường ngoài). 6 8 10 12 LOG10 Ω 9 10 11 12 LogHPL

Hình 3.19: Sự phân bố năng lượng của TB B ung thư theo tần số, (Đường đậm: màng trong, đường liền nhạt: màng ngoài, đường gạch: môi trường ngoài).

trường hợp xung điện:

P =

Z T 0

σE2dt. (3.14)

T là độ rộng xung, nhỏ hơn nhiều toàn bộ chu kỳ trong đó điện thế của tế bào không bằng 0. Thực tế, sau khi tác dụng xung, phải mất một khoảng thời gian để phân bố lại các điện tích cảm ứng trong toàn bộ các tế bào và ở đây ta chỉ quan tâm đến năng lượng xung cung cấp cho tế bào. Dễ dàng quan sát được, trong trường hợp kích thích xung sin, không có sự khác biệt nhiều về năng lượng tiêu hao giữa tế bào thường và tế bào ung thư. Chỉ có trong khoảng tần số từ 106 đến 108Hz, trong đó, năng lượng tiêu tán ở các màng trong vượt quá màng ngoài, nhưng là tương đương đối với cả trường hợp. Tuy nhiên, đối với trường hợp xung cực ngắn, ta quan sát thấy đỉnh của năng lượng tiêu tán ở màng trong tế bào bệnh rất cao,

0.5 so với bên ngoài, trong trường hợp tế bào thường, chỉ là 0.05. Điều này chỉ ra ảnh hưởng của xung cực ngắn và mạnh kích thích lên các cấu trúc bên trong tế bào. Vì nhiệt năng làm nóng tế bào bệnh lớn hơn (công suất tiêu tán trên tế bào bệnh lớn hơn) nên tế bào bệnh dễ phá huỷ hơn tế bào thường. Trong cả hai trường hợp, sự tiêu tán năng lượng của màng đều lớn hơn rất nhiều so với môi trường.

0.0 2.0x10 -6 4.0x10 -6 6.0x10 -6 8.0x10 -6 1.0x10 -5 1.0x10 6 2.0x10 6 4.0x10 6 6.0x10 6 8.0x10 6 1.0x10 7 2.0x10 7 4.0x10 7 Normal B- cells Manignant B- cells D i s s i p a t i o n p o w e r ( J )

Distance from cell radius (m)

Hình 3.20: Năng lượng tiêu thụ đối với trường hợp xung, (Đường liền: TB B ung thư, đường gạch: TB B thường).

3.3.3 Mitochondria_ mô hình tế bào ba lớp màng

Bên cạnh việc đánh giá sự khác biệt về phản ứng của tế bào B ung thư và tế bào B thường, ta cũng xem xét trường hợp các cấu trúc bào quan quan trọng như là mitochondria trong tế bào thường. Một vài nghiên cứu đã kết luận rằng dưới sự kích thích của các xung điện cực ngắn và mạnh, màng tế bào mitochondria sẽ bị đánh thủng. Kotnik et al đã sử dụng mô hình kép để mô tả loại bào quan này, giả sử rằng độ dày màng trong gấp đôi độ dày màng ngoài [1]. Joshi et al cũng sử dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá các tế bào ba lớp màng.

TB-B thường TB-B xấu

Độ dẫn điện (S/m)

Màng tế bào 0.0

Tế bào chất 0.95

Màng mitochondria 0.95×10−6

Khoang ngoài của mito. 0.4

Khoang trong của mito. 0.121

Hằng số điện môi tương đối

Màng tế bào 8.0

Tế bào chất 87.7

Khoang của mitochondria 54

Khoang ngoài của mito. 12.1

khoang trong của mito. 3.4

Các thông số hình học (µm)

Đường kính của mitochondria 0.92

Độ dày màng của mito 0.007

Độ dày khoang ngoài 0.03

Loại xung

Cường độ, độ rộng 100,10,1.5,1.5

và thời gian lên xuống của xung

lớp màng. Ta sử dụng các thông số sau của mitochondria Table 3.2. Các 6 7 8 9 10 11 LogHΩL 0.010 0.100 0.050 0.020 0.200 0.030 0.015 0.150 0.070 DYcell,DYmitoHVL

Hình 3.21: Sự phụ thuộc của các điện thế vào tần số. Đường đậm: TB, đường gạch: mito. trong, đường chấm: mito. ngoài, đường liền: màng trong kết hợp.

5 6 7 8 9 10 11 LogHΩL 0.5 1.0 1.5 DYmitoDYcell

Hình 3.22: Tỉ lệ điện thế. đường liền:

|∆Ψoutermito|/|∆Ψcell|, đường gạch:

|∆Ψinnermito|/|∆Ψcell|

biểu thức của tế bào ba lớp màng dài nhưng không hề rắc rối, phức tạp. Trước tiên, ta xem xét sự phản ứng của mitochondria đối với trường điện dạng xung sin, cường độ 5.0 × 104V /m. Ta khảo sát sự phụ thuộc của điện thế cảm ứng trong trường điện xoay chiều tại hai cực của tế bào(θ = 0). Từ hai hình 3.21,3.22, ta có thể thấy nếu trường có tần số thấp, hiệu ứng bảo vệ sẽ giữ các điện thế cảm ứng cả ở trên các màng của mitochondria là không đáng kể khi so với các điện thế cảm ứng trên màng tế bào (khoảng 0.25V), trong trường tần số cao, cả các điện thế trong tăng và đạt tới 2.5×107s−1. Nhưng điểm quan trọng nhất ở đây là khi tần số cao (khoảng 109 −1010s−1), điện thế mitochondria trong là lớn hơn điện thế tại màng tế bào và điện thế mitochondria ngoài. Hình 3.22, chỉ ra rất rõ điều này, tỉ lệ điện thế, |∆Ψinnermito|/|∆Ψcell| có thể lên đến 1.5, trong đó, |∆Ψoutermito|/|∆Ψcell| luôn nhỏ hơn 0.5.

Chương 4 Kết luận

Sau đây chúng tôi xin tóm lược một số vấn đề đã trình bày trong luận văn: 1. Trình bày sơ lược về hiện tượng electroporation: Các đặc tính chung của hiện tượng electroporation, mô hình khả nghịch và bất khả nghịch của hiện tượng và những ảnh hưởng của điện thế chuyển màng. 2. Chúng tôi đã đưa ra mô hình hiệu chỉnh của màng tế bào bị kích

thích bởi xung cực manh và ngắn ns. Dựa trên phương pháp giải tích chuyển dịch Laplace, ta đã tính đến ảnh hưởng của độ dẫn động của các màng tế bào để đạt được các kết quả khả dĩ hơn. Các kết quả này rất phù hợp với các kết quả tính toán số. Dựa trên phương pháp tính toán mới, ta cũng xem xét những phản ứng khác biệt giữa tế bào B ung thư và tế bào B thường, mô hình ba lớp của mitochondria.

3. Để làm tốt hơn các kết quả trên đây, một vài vấn đề khác cần phải xem xét đến. Đầu tiên, sự phụ thuộc của độ dẫn vào thời gian trong lý thuyết Wanda phải được xác định hợp lý. Thứ hai, ta phải chọn mật độ lỗ ban đầu. Nhưng ta không có mối liên hệ giữa mật độ lỗ cân bằng và các độ dẫn của màng. Chúng tôi sẽ tiếp tục tìm hiểu về vấn đề này trong thời gian tới.

Tài liệu tham khảo

[1] Tadej Kotnik and Damijan Miklavcic,Biophys J.2006,90(2), 480–491. [2] Joshi, R.P., Qin Hu, Schoenbach, K.H., Plasma Science, IEEE Trans-

actions, 32, 4, 2004, 1677 - 1686.

[3] John C. Neu and Wanda Krassowska, Phys. Rev. E, 59, 3471 - 3482 (1999).

[4] Katherine A. DeBruin, Wanda Krassowska, Biophysical Journal, 77, 3, 1999, 1213-1224.

[5] Tadej Kotnik and Damijan Miklavcic, Biophysical Journal, 90, 2, 480- 491, 2006.

[6] Lodish, Berk, Zipursky, Baltimore, “Molecular cell biology”, Fifth ed- itor, Media Connected

[7] Jame C.Weaver, Yu.A.Chizmadzhev, "Theory of electroporation: A review", Bioelectrochemistry and Bioenergetics Journal, 41, 135-160, 1996.

[8] I.G Abidor, V,B. Arakelyan, L.V Chemomordik et al "Electric break- down of bilayer membranes: I. The main experimental facts and their qualitative discussion",Bioelectrochemistry and Bioenergetics Journal,

6, 37-52 ,1979.

[9] R. Benz, F. Beckers and U.Zimmermann, "Reversible electrical break- down of lipid bilayer membranes: A charge - pulse relaxation study",

[10] A. J. Wagner, S. May, “Electrostatic interactions across a charged lipid bilayer”, Eur Biophys J 36(4-5), (2007), 293-303

[11] O. I. Fisun, “2D plasmon excitation and nonthermal effects of microwaves on biological membranes”, Bioelectromagnetics, 14(1), (1993), 57-66

[12] T. Ando, “Electronic properties of two-dimensional systems”, Rev. Mod. Phys. 54, 2, (1882), 437-672

[13] J. M. Pitarke, V. M. Silkin, E. V. Chulkov, P. M. Echenique, “Theory of surface plasmons and surface-plasmon polaritons”, Rep. Prog. Phys.

70, (2007), 1-87

[14] F. Stern, “Polarizability of a Two-Dimensional Electron Gas”, Phys. Rev. Lett. 18, (1967), 546 - 548

[15] A. Fetter, J. D. Walecka, “Quantum theory of many-particle systems”,

McGraw-Hill Book Company

[16] K. J. Blinowska, W. Lech, A. Wittlin, “Cell membrane as a possible site of Frohlich’s coherent oscillations”, Phys. Lett. A 109(3), (1985), 124-126

[17] M. A. Rojavin, M. C. Ziskin, “Medical application of millimetre waves”,

QJM 91, (1998), 57-66,

[18] P. Debackere, S. Scheerlinck, P. Bienstman, R. Baets, “A Biosensor based on Surface Plasmon Interference”, LEOS Benelux Annual Sym- posium, Netherlands, (2006)

[19] Rojo A.G., “Electron-drag effects in coupled electron systems”, J. Physics: Condensed Matter 11(5), (1999), 31-52

E. Manousakis, “Collective charge excitations along cell membranes”,

[20] H. Raether, “Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings”, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo