基因脉冲导入仪的原理及应用

　　1 基因导入的基本原理

　　近年来，国内外众多学者对适当的脉冲电磁场作用下，细胞膜发生电穿孔的现象展开研究^[1,3]。细胞电穿孔技术利用高压电脉冲使细胞膜发生瞬间的可逆穿孔，对受体细胞产生的扰动很小，强度适当的电脉冲会使细胞的外壁产生许多“小孔”，此时，溶液中的基因就会通过这些小孔进入细胞，经过一段时间后，细胞壁将会自动修复，这样就实现了电脉冲的基因导入。由于细胞电穿孔技术的高效性、低毒性、普适性和可控性，电穿孔技术已广泛用于遗传工程、细胞工程和基因工程等领域。目前国内外又将电穿孔技术应用于基因治疗、药物增敏、临床等诸多方面，必将给予人类深远的影响。

　　外加电场之所以能够击穿细胞膜，主要是因为细胞膜基本上是一个绝缘体，两面浸在含离子的电解质溶液中，当外加电场时，引起膜两边的电解质离子极化，而形成了外加的膜电位Vm。

　　若细胞为球形，悬浮在溶液里并处于电场中，如图1所示，因此可以得到外电场诱导的膜电位表示为^[1] ：

　　式中：α为细胞半径，E ₀为外电场强度，θ为给定膜位置与电场方向间夹角。

　　公式(1)是细胞电穿孔的理论基础。不同脉冲波形对细胞电穿孔有重要影响。目前用得最多的直流脉冲是方波和指数衰减的RC波形。指数衰减波形的脉冲最易制造，效果较好，所以用途也最广。

　　2 基因脉冲导入仪的系统组成

　　随着细胞电穿孔技术应用的发展，国内外已有十多种仪器出售，国外产品每台售价数千美元以至数万美元，国内虽有数种产品，但这些产品存在两类问题，(1)输出电压低，输出电流小，根本带不动含盐溶液的细胞电极系统，在此情况下，往往由于电流过小，而不能产生电穿孔的应有效果。(2)适用性有限，许多产品往往是针对某一特定的细胞对象设计的脉冲电源。由于种种限制往往不能在最佳电场条件进行细胞电穿孔操作，从而达不到应有的融合率和转化率。

　　该仪器主要功能是产生一个高电压、大电流RC尖脉冲。主要组成包括高压脉冲产生器，单片机和电极(形状由需要而定)。系统原理框图如图2所示。

　　高压脉冲形成电路包括高压电源和脉冲形成两部分。电极可以根据实验要求做成各种形状。脉冲形成的过程可看作暂态模拟的RC放电过程。高压电源对脉冲形成电路中的储能元件组合电容充电，至负载所需电压时，单片机控制触发脉冲打开电子开关，随即储能电容通过负载放电，在负载上形成RC尖脉冲，其原理如图3所示。