近日，电气工程学院放电等离子体及其生物医学应用团队在大气压低温等离子体生物医学应用交叉研究领域取得新进展，研究成果分别以《Molecular dynamics simulations of cancer cell membrane electroporation under the plasma electric field effect》与《Numerical study on interactions of atmospheric plasmas and peptides by reactive molecular dynamic simulations》为题，发表在等离子体领域国际权威期刊《Plasma Processes and Polymers》上，并连续被该期刊精选为2023年2月与3月封面文章，团队硕士研究生王慧超和丁蕴函分别为第一作者，赵彤教授和王晓龙副教授分别为通讯作者，该研究工作得到了国家自然科学基金与山东省自然科学基金的联合资助。
21世纪以来，等离子体生物医学作为一门典型的前沿交叉学科快速兴起，涉及等离子体物理学、生命科学及临床医学等多个领域，其中辅助癌症治疗是等离子体生物医学研究的热点与难点。等离子体活性粒子需透过细胞膜才能作用于癌细胞内部，从而起到凋亡癌细胞的作用。《Molecular dynamics simulations of cancer cell membrane electroporation under the plasma electric field effect》应用经典分子动力学模拟方法，研究发现在等离子体电场效应下，癌细胞膜会发生电穿孔现象，导致细胞膜通透性改变，促进活性物质跨膜转运进入细胞内，进而诱导癌细胞凋亡。恒定电场、纳秒脉冲电场、皮秒脉冲电场均会造成细胞膜的电穿孔，磷脂双分子层之间亲水性通道的形成是电穿孔的必要条件。等离子体选择性凋亡癌细胞的重要原因是癌细胞膜胆固醇含量降低影响其电穿孔阈值，从而更易形成孔隙。该研究揭示了等离子体活性粒子选择性进入癌细胞的跨膜运输微观机理，为等离子体在保证正常细胞存活的同时选择性凋亡癌细胞提供了分子水平上的作用机制解释。
等离子体活性粒子进入细胞后能够与多数生物大分子发生反应，其作用于胞内蛋白质后会发生氧化改性并伴随构型变化，该氧化修饰效应与蛋白质在生物体内翻译后修饰过程类似，对蛋白质的功能与寿命会产生重要影响。然而目前等离子体改性蛋白质的微观机制仍不明确，成为了等离子体医学领域的研究难点。《Numerical study on interactions of atmospheric plasmas and peptides by reactive molecular dynamic simulations》选择四类强氧化、长寿命的等离子体活性离子（O、OH、O3、H2O2）与蛋白质多肽链作为研究对象，将反应分子动力学模拟方法与液相色谱-质谱实验方法相结合，研究了等离子体与多肽链的微观反应机制。研究发现，经等离子体处理后，在多肽的侧链中引入氧原子是最常见的修饰反应，并同时观测到了脱氢、磺化、羟基化、羰基化、亚硝基化以及环裂解等多种反应类型，这些分子结构上的变化将影响蛋白质的折叠，导致蛋白质功能改变，从而干扰细胞信号传导过程和引起细胞的凋亡。本研究阐释了等离子体与蛋白质相互作用的氧化修饰和失活机制，具有重要科学意义。
大气压非平衡放电等离子体由于其在材料表面改性、环境、污水处理、生物医学等方面的潜在应用受到了人们的极大关注。近年来等离子体医学的发展非常迅速，为医学上治疗多种疾病提供了新思路、新途径和新技术，同时，对放电等离子体的产生与优化也提出了更高要求。放电等离子体及其生物医学应用团队，瞄准国内外等离子体领域关注的前沿问题，深化放电等离子体基础理论的模拟仿真研究和对应实验验证，着重探究放电等离子体活性粒子的性质以及其与相关生物物质的作用机理，积极拓展更多领域的交叉学科融合，与山东大学医学院、药学院、齐鲁医院、山大二院等多单位进行了深度合作，在医工交叉领域取得了一系列创新性的研究成果，为等离子体医学的进一步发展作出积极贡献。
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