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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002264-5

Effects of Cold Physical Plasma on Human Leukocytes

  • Non-healing wounds pose a major burden to patients and health care systems alike. These wounds are chronically stuck in the inflammatory phase of the healing process without transitioning to the proliferative phase. They are also characterized by the excessive presence of leukocytes which are assumed to provoke the persistent inflammation observed in pathological wound healing. Recent studies suggested a beneficial role of cold physical plasma in the treatment of chronic wounds. Hence, it was the central question, whether exposure to cold physical plasma would affect the viability and/or function of human leukocytes. Cold plasma displays various properties of which the generation of reactive molecules, such as reactive oxygen and nitrogen species (ROS/RNS), where found to be central in mediating redox changes in leukocytes. Oxidative stress was present especially in lymphocytes that readily underwent apoptosis after exposure to plasma. This was largely a direct consequence of plasma-generated hydrogen peroxide but not superoxide or RNS. Amount of apoptosis was comparable among several lymphocyte subpopulations, with the wound healing-relevant γδ T cells being least affected. Lymphocyte apoptosis was accompanied by mitochondrial membrane depolarization, caspase 3 activation, DNA fragmentation, and phosphatidylserine exposure. These results are in line with previous characterizations of the intrinsic apoptotic pathway in redox biology, and suggest that plasma-induced apoptosis was not mediated by alternative molecular mechanisms. An important immune response mechanism, the proliferation of lymphocytes, was not interrupted in plasma-treated but non-apoptotic cells. In wounds, a central role of leukocytes is to orchestrate the healing response via the release of small communication molecules called cytokines. Non-healing wounds are associated with elevated amounts of pro-inflammatory IL-1β, IL-6, and TNFα, and plasma-treatment of leukocytes strongly decreased their concentrations. At the same time, the expression of anti inflammatory cytokines (IL-10, TGFβ) was markedly increased. The pro inflammatory chemokine IL-8 was the only molecule to be significantly increased in supernatants of plasma-treated cells. IL-8 is the major chemo-attractant for neutrophil granulocytes. Neutrophils are frequently associated with non-healing wounds. These professional phagocytes are the first to migrate to the site of injury where they inactivate invading pathogens by various mechanisms. Importantly, highly relevant effector functions remained mostly unaffected by plasma treatment: the phagocytosis of bacteria, the oxidative burst, and the intracellular killing of microbes. Of note, plasma induced a strong induction of neutrophil extracellular traps (NETs). Decorated with antimicrobial proteins, NETs are web-like chromatin extrusions that entrap pathogens. These results have several implications for wound healing. Plasma-treated neutrophils were still capable of eradicating bacteria, which are frequently associated with non-healing wounds. In addition, plasma-induced NETs could aid in wound healing by providing an antibacterial scaffold to safeguard against further dissemination of microorganisms. Chronic wounds display a state of sustained inflammation and plasma induced apoptosis but not necrosis in lymphocytes. This was an important finding as necrosis, the involuntary cell death, is associated with the release of intracellular content, enhancing inflammation. By contrast, apoptosis dampens it as dead cells are cleared by macrophages inducing anti inflammatory responses. Further, the cytokine signature of plasma-treated leukocytes was largely non inflammatory, which could further decrease inflammation in wounds. Altogether, this work provided first insight with regard to effects and mechanisms of cold physical plasma treatment of wound-relevant leukocytes. Generally, these cells were affected by a plasma mediated modulation of their redox state. Future studies should include the possibility of redox modulation into their experimental approach to further elucidate the role of ROS/RNS in inflammation and possibly to improve existing wound healing therapies.
  • Chronische Wunden sind eine große Belastung für Patienten und Gesundheitssysteme gleichermaßen. Diese Wunden stecken in der inflammatorischen Phase des Wundheilungsprozesses fest, ohne in die Proliferationsphase über zu gehen. Die Mehrzahl nicht-heilender Wunden ist durch eine pathologisch-erhöhte Präsenz von Leukozyten charakterisiert. Diese Zellen stehen auch im Verdacht, an der nicht limitierten Entzündungsreaktion in diesen Wunden mit verantwortlich zu sein. In den letzten Jahren wurde bekannt, dass die Anwendung von kaltem physikalischem Plasma einen positiven Einfluss auf die Wundheilung hat. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit untersucht, ob und wie die Plasmabehandlung von Leukozyten die Heilung chronischer Wunden verbessern könnte. Kaltes Plasma hat verschiedene Eigenschaften, von denen die Entstehung reaktiver Stickstoff und Sauerstoffspezies (ROS/RNS) eine wesentliche Stellung in den gezeigten Redox Veränderungen von mit Plasma-behandelten Leukozyten einnahm. Der erzeugte oxidative Stress bewirkte vor allem in Lymphozyten Apoptose, aber keine Nekrose. Vor allem Wasserstoffperoxid, aber nicht Superoxid oder RNS, waren bei den vermittelten Effekten von zentraler Bedeutung. Verschiedene Lymphozyten-Subpopulationen zeigten eine ähnliche Apoptose-Rate nach Plasmabehandlung, wobei die in der Wundheilung wichtigen γδ T Zellen am wenigsten empfindlich waren. Die Apoptose von Lymphozyten war charakterisiert durch eine Depolarisation der Mitochondrien-Membran, die Aktivierung von Caspasen, die Fragmentierung der DNA und die Exposition von Phosphatidylserin. Diese Resultate stehen im Einklang mit bisherigen Studien im Forschungsfeld der Redox-Biologie zur ROS-induzierten Apoptose durch den intrinsischen Signalweg. Die Wirkung von Plasma lässt sich demnach darauf zurückführen. Die Proliferation, wichtig für die Immunantwort, war in mit Plasma-behandelten, aber nicht-apoptotischen Lymphozyten nicht eingeschränkt. In Wunden spielen Leukozyten eine wichtige Rolle, indem sie durch das Ausschütten von sogenannten Zytokinen kommunizieren. Die Zytokinantwort aktivierter Leukozyten wurde durch die Plasmabehandlung verändert. Die Expression verschiedener, pro-inflammatorischer Zytokine (z.B. IL-1β, IL-6, TNFα) war in Plasma-exponierten Zellen zum Teil erheblich verringert, während anti-inflammatorische Zytokine (z.B. IL-10, TGFβ) in T Lymphozyten vermehrt gebildet wurden. Die Plasmabehandlung prägte also ein überwiegend nicht entzündliche Zytokin-Profil. Eine Ausnahme bildete IL-8, welches verstärkt sezerniert wurde. IL-8 wirkt anziehend auf neutrophile Granulozyten. Die Anzahl von Neutrophilen ist in chronischen Wunden pathologisch erhöht. Sie immigrieren als erstes in die Wunde, um Pathogene mit ihrem Arsenal an antimikrobiell wirksamen Effektorfunktionen zu bekämpfen. Wichtige Effektorfunktionen wurden durch die Plasmabehandlung nicht wesentlich beeinflusst, darunter die Phagozytose von Bakterien, der oxidative Burst und das intrazelluläre Abtöten von Mikroorganismen. Neutrophile verfügen weiterhin über die Möglichkeit, Bakterien mittels DNA, welche mit antimikrobiellen Proteinen besetzt ist, am Wachstums zu hindern (Neutrophil Extracellular Traps, NETs) und die Plasmabehandlung löste eine starke NET-Antwort aus. Die Ergebnisse haben verschiedene Implikation für die Wundheilung. Plasma behandelte Neutrophile waren weiterhin in der Lage, Bakterien zu eliminieren, die in schlecht-heilenden Wunden häufig zu finden sind. Zusätzlich könnten plasma-induzierte NETs die weitere Verbreitung von Pathogenen in der Wunde verringern. Chronische Wunden sind durch chronische Inflammation gekennzeichnet und Plasma vermittelt in Lymphozyten Apoptose, aber keine Nekrose. Im Gegensatz zur Nekrose, bei der Zellinhalt in den extrazellulär-Raum diffundiert und Entzündungsreaktionen hervorruft, werden apoptotische Zellen von Makrophagen aufgenommen, in denen dadurch eine anti inflammatorische Antwort ausgelöst wird. Weiterhin war die Zytokin-Signatur der mit Plasma-behandelten Leukozyten deutlich non-inflammatorisch. Als Wirkmechanismus der Plasmabehandlung wurden vor allem Redox Modifikationen identifiziert. Zukünftige Wundheilungsstudien sollten die Möglichkeit der Redox-Modulation in Betracht ziehen, um existierende Therapien möglicherweise zu verbessern.

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Metadaten
Author: Sander Bekeschus
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002264-5
Title Additional (English):Effects of Cold Physical Plasma on Human Leukocytes
Title Additional (German):Wirkung und Wirkweise physikalischen Kaltplasmas auf Humane Leukozyten
Advisor:Dr. Julia Kolata, Prof. Dr. Barbara M. Bröker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2015/06/17
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2015/06/10
Release Date:2015/06/17
Tag:Plasmamedizin
cold physical plasma, leucocytes, plasma medicine, wound healing
GND Keyword:Kaltes Plasma, Leukozyten, Wundheilung
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Immunologie u. Transfusionsmedizin - Abteilung Immunologie
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit