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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:9-001801-7

Immune-modulatory effects of non-thermal plasma

  • Non-thermal atmospheric pressure plasma has drawn more and more attention to the field of wound healing research during the last two decades. It is characterized by a unique composition, which includes amongst others free radicals, ions and electrons. Furthermore, non-thermal plasma exhibits temperatures that are below those inducing thermal cell damage. Next to its well-established anti-bacterial properties, plasma can have lethal as well as stimulating effects on mammalian cells. Therefore, the medical application of non-thermal plasma on chronic wounds seems to be a promising tool to enable healing processes. However, less is known about the plasma-mediated induction of intracellular signaling pathways in human immune cells, which play a leading part in the process of wound recovery and removal of pathogens. Therefore, this thesis examined the cellular effects of a non-thermal atmospheric pressure plasma treatment on human immune cells using the argon plasma jet kinpen 09. Here, the CD4+ T helper cell line Jurkat, the monocyte cell line THP-1 as well as the corresponding primary cells were investigated. First, cell survival and apoptosis induction was assessed in response to non-thermal plasma treatment by growth curves and flow cytometric assays. On the one hand it could be shown that primary cells are more susceptible to plasma treatment than the respective cell lines. On the other hand, monocytes responded less sensitive to plasma exposure than lymphocytes. Furthermore, this thesis outlined the impact of non-thermal plasma treatment on the gene expression level of immune cells. Therefore, DNA microarray analysis was performed with the cell lines Jurkat and THP-1. It became obvious that plasma exposure modulated the expression of several genes in both cell types. Differential expression of distinct target genes was further validated by quantitative PCR in the immune cell lines. Here, elevated gene expression levels of JUN and FOS in Jurkat cells and increased transcription of JUND in THP-1 cells in response to plasma treatment were made visible. JUN, FOS and JUND are components of the transcription factor AP-1, which is involved amongst others in gene expression of IL-8 and HMOX-1. Consequently, transcriptional induction of the inflammatory cytokine IL-8 as well as the enzymes HMOX-1 and GSR was detected in plasma-treated THP-1 cells. In addition, alterations in the protein activation levels were analyzed in plasma-treated Jurkat, THP-1 cells and primary monocytes. Since some of the identified target genes are known to be associated with the MAPK pathways, the regulation of these cascades was further investigated by western blot analysis. In all investigated cell types the pro-proliferative signaling molecules ERK 1/2 and MEK 1/2 as well as the pro-apoptotic signaling proteins p38 MAPK and JNK 1/2 were activated in a plasma treatment time dependent manner. In contrast to Jurkat and primary monocytes, the anti-apoptotic HSP27 was only induced in THP-1 cells in response to plasma exposure. Moreover, modulation of cytokine production and secretion was examined in the different immune cell types and co-cultured THP-1 and HaCaT keratinocytes by ELISA or flow cytometry. While Jurkat cells showed no plasma-mediated regulation of cytokine expression, THP-1 cells revealed an increased IL-8 secretion after long plasma time duration (360 s). Additionally, the intracellular expression levels of IL-6 and IL-8 were modulated in primary monocytes by plasma exposure. While short plasma treatment caused no alteration of the number of cells expressing IL-8 an up-regulation of the intracellular IL-6 level occurred after 30 s of plasma treatment. Long plasma treatment times resulted in a significant decrease of the intracellular IL-8 and IL-6 production levels. Furthermore, co-cultured THP-1 and HaCaT cells as well as mono-cultured THP-1 and HaCaT cells were examined regarding their cytokine secretion profile. Here, cells treated with plasma (180 s) as well as LPS and plasma (180 s and LPS) were compared with untreated cells. IL-6, IL-8 and GM-CSF secretion was induced by both plasma and plasma combined with LPS treatment in mono-cultivated HaCaT cells and co-cultured cells. Though, the highest cytokine secretion levels were reached in the plasma and LPS exposed co-culture. In contrast, mono-cultivated THP-1 cells only showed an increased secretion of IL-6, IL-8 and TNFa after incubation with plasma together with LPS exposed medium. In conclusion, this study revealed for the first time the non-thermal plasma-modulated expression of numerous genes and cytokines and the activation state of various signaling cascades in human immune cells. Thus, it contributes to gain a better understanding of the immune-modulatory impacts of plasma that might promote the wound healing process.
  • Unter Atmosphärendruck erzeugtes Niedertemperaturplasma hat in den letzten zwei Jahrzehnten immer mehr an Aufmerksamkeit in der Wundheilungsforschung auf sich gezogen. Niedertemperaturplasma zeichnet sich durch eine einzigartige Zusammensetzung aus, da es unter anderem freie Radikale, Ionen und Elektronen einschließt. Plasma kann neben seinen bekannten antibakteriellen Eigenschaften sowohl letale als auch stimulierende Effekte auf Säugetierzellen ausüben. Daher scheint seine medizinische Anwendung für die Heilung chronischer Wunden erfolgsversprechend. In der Wissenschaft ist bis heute wenig über die Auswirkung von Plasma auf humane Immunzellen bekannt, welche eine wichtige Rolle im Wundheilungsprozess spielen. Die vorliegende Arbeit untersucht mit Hilfe eines durch Argon betriebenen Plasmajets (kinpen 09) die zellulären Effekte von Niedertemperaturplasma auf humane Immunzellen. Im Fokus der Untersuchung stehen sowohl die CD4+ T Helferzelllinie Jurkat als auch die Monozytenzelllinie THP-1 sowie die entsprechenden Primärzellen. Zu Beginn wurden die Zellviabilität und die Apoptoseinduktion nach Behandlung mit Niedertemperaturplasma mittels Wachstumskurven sowie Durchflusszytometrie untersucht. Dabei wurde zum einen nachgewiesen, dass Primärzellen empfänglicher für die Plasmabehandlung sind als ihre entsprechenden Zelllinien. Zum anderen wurde gezeigt, dass die Lymphozyten deutlich empfindlicher auf die Plasmabehandlung reagierten als die Monozyten. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Erforschung von Auswirkungen einer Plasmabehandlung auf die Genexpression von Immunzellen. Dafür wurden genomweite Genexpressionsanalysen (DNA Microarray) der Zelllinien Jurkat und THP-1 durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass Plasmaexposition in beiden untersuchten Zellarten die Expression verschiedener Gene beeinträchtigt. Die differenzielle Expression bestimmter Zielgene in den Immunzellen wurde mittels quantitativer PCR validiert. Hierbei konnte eine erhöhte Genexpression von JUN und FOS in Jurkat Zellen gezeigt werden. Dagegen wurde in plasmabehandelten THP-1 Zellen die Gentranskription von JUND, IL-8, HMOX-1 sowie GSR induziert. Des Weiteren wurden Veränderungen des Proteinaktivierungslevels in Jurkat Zellen, THP-1 Zellen und primären Monozyten nach einer Plasmabehandlung untersucht. Da mehrere der identifizierten Zielgene mit den MAPK Signalwegen zusammenhängen, wurde die Regulation dieser Kaskaden mit Western Blot Analysen untersucht. Dabei konnte in allen untersuchten Zellarten eine plasmabehandlungszeitabhängige Aktivierung sowohl der proproliferativen Moleküle ERK 1/2 und MEK 1/2 als auch der proapoptotischen Signalproteine p38 MAPK und JNK 1/2 nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu Jurkat Zellen und primären Monozyten wurde durch Plasmabehandlung in THP-1 Zellen zusätzlich das antiapoptotische HSP27 aktiviert. Zudem wurde die veränderte Zytokinproduktion und Sekretion in unterschiedlichen Immunzelltypen und kokultivierten THP-1 und HaCaT Keratinozyten durch ELISA- oder Durchflusszytometrieuntersuchungen analysiert. Während Jurkat Zellen keine Regulation der Zytokinexpression aufwiesen, konnte in THP-1 Zellen eine erhöhte IL-8 Sekretion nach einer langen Plasmabehandlungszeit (360 s) nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurden die intrazellulären IL-6 und IL-8 Expressionslevel in primären Monozyten durch Plasmabehandlung reguliert. Während eine kurze Plasmaexposition keinen veränderten Anteil von IL-8 exprimierenden Zellen mit sich zog, konnte eine Hochregulation des intrazellulären IL-6 Levels nach einer Behandlungszeit von 30 s nachgewiesen werden. Lange Plasmabehandlungszeiten führten allerdings zu einer signifikanten Reduktion von IL-6 und IL-8 exprimierenden Zellen. Des Weiteren wurden kokultivierte THP-1 und HaCaT Keratinozyten hinsichtlich ihrer Zytokinsekretionsprofile untersucht. Dabei wurden Zellen mit Plasma oder mit LPS und Plasma behandelt und mit unbehandelten Zellen verglichen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die IL-6, IL-8 und GM-CSF Sekretion nach einer reinen Plasmabehandlung und nach einer kombinierten Plasma- und LPS-Behandlung sowohl in monokultivierten HaCaT Zellen als auch in kokultivierten Zellen induziert wurde. Die höchsten Zytokinsekretionslevel wurden jedoch in den kokultivierten Zellen ermittelt, welche sowohl mit Plasma als auch LPS behandelt wurden. Dagegen konnte in monokultivierten Plasma- und LPS-behandelten THP-1 Zellen lediglich eine erhöhte Sekretion von IL-6, IL-8 und TNFa identifiziert werden. Erstmalig konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass Niedertemperaturplasma die Expression zahlreicher Gene und Zytokine und den Aktivierungszustand von verschiedenen Signalkaskaden in humanen Immunzellen verändern kann. Daher trägt die Arbeit zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen von Plasma auf Zellen des Immunsystems und deren Regulation bei, welche für den Wundheilungsprozess förderlich sein könnten.

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Metadaten
Author: Lena Christina Bundscherer
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001801-7
Title Additional (German):Immunmodulatorische Effekte von Niedertemperaturplasma
Advisor:Prof. Dr. Eun Ha Choi, Prof. Dr. Ulrike Lindequist
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2014/04/24
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2014/04/10
Release Date:2014/04/24
Tag:Plasmamedizin
Apoptosis, Immune system, Non-thermal plasma, Plasma medicine, Proliferation, Wound healing
GND Keyword:Apoptose, Immunsystem, Niedertemperaturplasma, Proliferation, Wundheilung
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie