基于形态学真实的大规模多细胞电穿孔建模及其群体水平分析

本研究针对电穿孔(EP)应用中细胞形态多样性和多细胞相互作用影响预测准确性的难题，开发了结合Cellpose深度学习分割和Fiji图像处理的自动化建模方法，成功构建了包含约400个细胞的2D单层模型。研究揭示了细胞形态异质性导致的电穿孔响应差异，发现细胞死亡与膜电穿孔区域比例和持续时间密切相关，为优化电穿孔治疗提供了新见解。

　　

在生物医学领域，电穿孔技术正成为基因治疗和癌症治疗的重要工具。这项技术的核心是通过脉冲电场在细胞膜上形成纳米级孔隙，但如何准确预测不同细胞的电穿孔效果一直是个难题。传统研究多采用简化球形细胞模型，无法反映真实组织中形态各异的细胞群体响应。更棘手的是，细胞间的相互影响和形态差异会导致"邻居效应"——即使相同电脉冲下，不同细胞的电穿孔程度可能天差地别。

来自加拿大萨斯喀彻温大学的研究团队在《Results in Engineering》发表的研究，通过创新的计算方法解决了这一难题。他们开发了一套结合深度学习和图像处理的自动化流程：首先用Cellpose算法识别显微镜图像中的细胞轮廓，再通过Fiji软件处理生成包含细胞核的几何模型，最终在COMSOL中建立包含约400个HCMEC/D3细胞的电穿孔模型。这种EF+EP（电场+电穿孔）模型能同时计算跨膜电位(TMP)、孔密度和孔径的动态变化。

3.1. 三种模型的比较

研究发现，经典的Schwan方程会高估球形细胞的跨膜电位，而忽略电穿孔效应的EF模型也无法准确预测真实情况。EF+EP模型显示，电穿孔会使细胞膜TMP平均降低，却使核膜TMP升高，这解释了为何传统模型需要革新。

3.2. 电场与电流分布

模拟显示细胞集群会轻微扭曲电场分布，但高压脉冲可减弱这种影响。有趣的是，在脉冲间歇期，细胞核会像"放电电容"一样释放电流，形成局部高电流密度区。

3.3. 电穿孔特征的时间分布

孔密度在脉冲开始0.6-0.7μs后突然增加并保持稳定，而孔径则随脉冲强度波动，存在约0.5μs的延迟响应。孔面积比(PAR)的变化与脉冲波形高度同步，但跨膜电位始终与脉冲保持同步。

3.4. 空间分布规律

高孔密度(>8个/μm²)和PAR区域集中在细胞两极（0°和180°方向），与电场方向垂直的区域几乎不发生电穿孔。值得注意的是，TMP最高区域与PAR最大区域并不重叠——这正是电穿孔的负反馈机制：高TMP区域会形成更多导电孔，反过来降低局部TMP。

3.5. 多细胞异质性

统计分析显示，细胞对电脉冲的响应呈类正态分布。当设定PAR临界值为0.0001时，10%膜面积达标的平均持续时间为5.863μs，而80%膜面积达标的时间骤降至0.2291μs。这种异质性说明，电穿孔导致的细胞死亡更取决于膜受损区域的持续时间，而非全膜覆盖。

这项研究的意义在于建立了首个大规模真实形态的多细胞电穿孔模型，突破了传统单细胞模拟的局限。通过群体水平分析，证实了细胞取向对电穿孔效果的关键影响——垂直于电场的细胞更易发生电穿孔。研究提出的自动化建模流程为未来3D组织模拟奠定了基础，而发现的"局部电穿孔致死"机制将指导更精准的脉冲参数设计。

不过研究也存在一些局限，如目前仅是2D模型，且需要更多实验验证。作者计划下一步整合GPU加速计算，将模型扩展到3D组织层面，并开展脉冲参数的系统优化研究。这项技术突破不仅为电穿孔疗法提供了新工具，也为理解复杂组织中的电磁生物效应开辟了新途径。