癌症作为威胁人类生命健康的重要因素,传统的治疗方式副作用明显,近年来等离子体辅助癌症治疗方式的临床应用带来了新的曙光。大气压低温等离子体（Cold Atmospheric Plasma,CAP）能够在常温开放的环境中产生并与人体组织直接接触,其内部高密度的活性氧（Reactive Oxygen Species,ROS）和活性氮（Reactive Nitrogen Species,RNS）等活性粒子在其中发挥重要作用,能够保证正常细胞的存活的同时选择性凋亡癌细胞。相关实验研究将此机制归结于癌细胞内RONS活性粒子浓度的特异性升高,但由于实验诊断手段的限制,等离子体活性粒子与癌细胞膜相关作用的微观机制尚不清楚。本文基于经典分子动力学方法,对CAP与癌细胞膜相互作用的微观过程进行模拟,以揭示等离子体RONS活性粒子选择性穿透癌细胞膜的内在机理。与正常细胞膜相比,癌细胞膜的胆固醇含量更低并且膜上的水通道蛋白倾向于过表达。因此本文研究CAP自身电场效应在细胞膜上电穿孔的作用以及胆固醇含量对电穿孔效果的影响,研究癌细胞膜上水通道蛋白（Aquaporin,AQP）的过表达对于CAP中RONS跨膜运输的影响,从原子层面揭示等离子体活性粒子选择性穿透癌细胞膜的微观机理。本文主要内容包括以下两个方面:（1）研究CAP自身电场效应对癌细胞膜结构的改变效果以及膜内胆固醇含量对电穿孔效果的影响。在纳秒脉冲电场作用下,随着外加电场强度的上升,平均穿孔形成时间呈指数型下降。在皮秒脉冲电场作用下,穿孔时间同样呈指数型下降趋势,但皮秒脉冲的电穿孔效果弱于纳秒脉冲。电穿孔形成时间与脉冲频率呈正相关,频率越低的脉冲电场穿孔效果越强。为解释上述趋势,分析模型内水分子平均偶极矩的Z轴分量,发现电场对于水分子的极化作用是导致癌细胞膜电穿孔的重要因素。脉冲频率上升,相应电场作用下水分子的平均偶极矩下降,电场对水分子的极化作用减弱,导致电穿孔程度的下降。针对细胞膜内胆固醇含量对电穿孔效果影响展开研究,随着模型内胆固醇含量的上升,平均穿孔形成时间存在明显上升趋势,并且穿孔电场电场阈值呈近似线性上升,这与相关实验研究结果一致。胆固醇含量低的癌细胞膜更容易在CAP电场效应的作用下形成电穿孔,从而促进RONS活性粒子的跨膜运输。（2）研究癌细胞膜上水通道蛋白过表达对于RONS跨膜运输的影响。模拟活性氧ROS（H2O2、HO2、OH、O2）与活性氮RNS（NO、NO2）六种活性粒子在纯磷脂双分子层以及AQP1-磷脂双分子层两种模型上的跨膜行为。AQP1单体模型的通道半径及通道中水分子密度分布结果与实验测量值一致。单体通道内ar/R区域与NPA区域是起过滤作用的主要区域。活性粒子的分布主要是由分子与水形成的氢键数目以及分子空间构型决定。亲水性ROS（H2O2、HO2、OH）主要分布于水层内,疏水性的ROS（O2）与RNS（NO、NO2）能够在磷脂层内部实现浓度的积累。AQP1的加入使得六种活性粒子的分布更加深入,尤其是亲水性ROS,能够在氢键的作用下与ar/R区域充分接触并产生氧化作用。虽然H2O2、HO2、OH的氧化特性使得单体通道半径产生轻微影响,但渗透速率仍在合理范围内。亲水性ROS在AQP1嵌入后自由能明显下降,倾向于通过AQP1实现跨膜运输,而疏水性ROS与RNS倾向于通过磷脂双分子层进入胞内。相比于HO2和NO2,OH与NO的自由能屏障更低,表明这些自由基更可能通过单体通道进入细胞内部实现浓度提升。癌细胞膜上过表达的AQP1能够明显提升亲水性ROS的跨膜效率,导致胞内RONS活性粒子浓度的提升。综上所述,本文通过经典分子动力学模拟,从癌细胞膜与正常细胞膜在胆固醇含量与水通道蛋白表达两方面入手,研究大气压低温等离子体活性粒子选择性穿透癌细胞膜的微观机理,结果表明癌细胞膜的低胆固醇含量、水通道蛋白过表达的特性导致了 CAP活性粒子选择性跨膜运输,最终造成癌细胞内部活性粒子浓度的升高。这为等离子体选择性灭活癌细胞提供了微观解释与理论支撑,有助于临床治疗中CAP辅助癌症治疗方式的进一步发展。