大气压低温等离子体(Cold Atmospheric Plasma,CAP)由于具有化学活性强、操作参数多变、产生方式简单等优点,在多个领域受到越来越广泛的应用,例如化工、航天、生物医学以及材料表面处理等。近年来,由于CAP含有的多种活性粒子(包括活性氧粒子Reactive Oxygen species,ROS和活性氮粒子Reactive Nitrogen species,RNS)能与生物大分子产生相互作用,因此其在生物医学领域的应用受到高度重视。尤其是将CAP运用于癌症治疗方面,相比于传统治疗方法有着无可比拟的优势。尽管大量研究已经在实验中验证了 CAP治疗癌症的有效性,但是受到实验检测手段的限制,CAP选择性凋亡癌细胞的微观机制仍不清楚。分子动力学模拟作为一种研究手段,能够从分子层面分析和探索大气压低温等离子体中活性粒子与癌细胞间相互作用的微观机制。借助高性能计算机,我们将模拟不同条件下CAP中多种活性粒子穿过癌细胞细胞膜的微观过程,并分析这个过程中活性粒子与细胞膜中多种物质的相互作用。这将有助于CAP选择性凋亡癌细胞理论的完善,并对CAP的实验与临床应用提供指导。本文的主要内容包括以下方面:(1)综述了 CAP在生物医学领域的应用,整合并分析CAP在治疗癌症方面的研究现状以及归纳概括其选择性凋亡癌细胞的原因。介绍分子动力学模拟在生物医学方面的应用,并且论证其用于分析活性粒子透膜过程的可行性。运用PACKMOL软件对两种细胞膜模型进行建模,并且运用分子动力学模拟进行进一步的分析研究。(2)运用分子动力学模拟研究不同种类ROS(OH、HO2、H202、O2)在膜水界面的分布与渗透过程,并从微观层面研究膜的形态和通透性变化。结果表明,不同种类的活性氧对磷脂和胆固醇的氧化率有很大差异。同时,细胞膜中磷脂的排列也受到等离子体产生的ROS影响。浓度会影响ROS在膜水界面的分布,从而影响与磷脂、胆固醇接触的概率,从而影响CAP破坏细胞膜的效率。疏水性的O2分子最容易穿透双层膜并停留在双层膜内,与磷脂的不饱和区接触的概率最高,因此在氧化过程中起着最重要的作用。胆固醇的双键区域最容易被HO2氧化。磷脂头部区域的活性氧使细胞膜厚度减小,双层膜内的活性氧使磷脂排列稀疏,从而增大了膜面积。自然条件下。疏水性分子(O2)最有可能进入细胞内部,而双层膜对亲水分子(OH,HO2,H2O2)具有很强的屏障作用。其中,H2O2由于氢键作用具有最高的跨膜势能,而OH与HO2跨膜所需能量基本相同。在等离子体处理下,HO2跨膜所需能量显著降低,而其他种类的ROS变化不大。(3)运用分子动力学模拟分析大气压低温等离子体产生的ROS在含有水通道蛋白-1(Aquaporin-1,AQP1)的细胞膜中的分布和渗透行为。研究这些ROS在跨膜过程中对AQP1构象的影响,进一步了解它们对AQP1转运功能的影响。由模拟结果可知,CAP产生的ROS可以通过AQPI穿过细胞膜,这种方式比通过脂质双分子层进行跨膜法更高效。OH和HO2通过AQP1形成的水通道进行跨膜的自由能势垒相似,明显低于H2O2。在跨膜过程中,CAP产生的ROS会影响AQP1的构象,这主要是由溶剂性质的变化引起的。H2O2主要分布在水层中,对AQP1附近的溶剂性质变化作用较小。OH和HO2对水通道两端的溶剂性能影响很大。疏水性的O2分子直接分布在AQP1内部,不会改变溶剂的性质。CAP产生的ROS不影响AQP1对溶剂的通透性,但是OH、HO2和O2干扰了 ar/R区域氨基酸间氢键的形成,影响了其过滤功能。本研究表明,ROS通过AQP1运输是其跨膜的重要途径,这种途径比通过脂质双分子层进行跨膜更高效。这一发现为研究CAP选择性凋亡癌细胞的机制提供了新的思路,因为有证据表明在癌细胞细胞膜上分布更多的AQP,使得ROS更容易进入细胞内部。然而,这些ROS会在跨膜过程中影响AQP1的构象,但这种构象变化对水通道的功能及其通透性的影响很小。这一结论为等离子体医学中等离子体剂量(电离时间和治疗时间)的选择提供了指导,从而促进CAP在实验及临床中应用的进一步发展。