Open Access

Sebastian Wenske

• The relevance of cold atmospheric plasmas (CAPs) in biomedicine has recently grown. The potential of CAPs has been discussed in multiple scientific works, highlighting its effectiveness in promoting wound healing, limiting cancer progression, and for sterilization of surfaces. Main bioactive molecules, such as reactive oxygen and nitrogen species (RONS), are proposed as key candidates in these processes. Indeed, the generation of cold plasma induces noble gas ionization which, reacting with atmospheric air molecules, generates species such as singlet oxygen, atomic oxygen radicals, nitric oxide radicals. Although molecular simulations have been conducted, the mechanism of action on biological molecules, as well as the possibility to tune plasmas to produce specific species cocktails (e.g., with different degree of oxidation power) has been not fully unleashed. In this dissertation, presented in form of 5 published scientific articles, focus has been placed on the interaction of plasmas with peptides and proteins, which are main biological effectors in cellular compartments. Precisely, through the development of liquid chromatography coupled mass spectrometry (LC-MS) methods, the effects of plasmas on peptides and proteins in form of oxidative post-translational modifications (oxPTMs) has been investigated. The characterization of these oxPTMs has been performed by treating peptide or protein aqueous solutions and on porcine skin tissues. It has been found that, introducing small amounts of different gases (oxygen, nitrogen, or both) or even water molecules, can made CAPs tunable tools to produce oxygen-species dominating effects versus nitrogen-species dominating effects. In addition to this, it was found that the amino acid position in a peptide or protein influences the quality and quantity of the resulting oxPTMs. Besides this, other important parameters like driven gases, admixture gases or treatment duration were identified as relevant factors for the modification of amino acids in the peptide structure. By comparing the effects between peptide solutions and complex matrices such as porcine skin, water has been identified as a valid vehicle to transport and amplify the plasma chemistry. In an experimental study, the inactivation of a protein (PLA2) was observed after CAP treatment and together with simulation studies, the specific dioxidation of tryptophane W128 was detected as a potential explanation for this inactivation, indicating the strong impact of plasma on biological targets. In summary, oxidative modifications found in peptide solutions were observed also in complex protein structures and sample matrices. In conclusion, this work provides a starting point for future studies of oxidative modifications in complex models and may thus be helpful for further investigations in the fields of plasma medicine and redox chemistry.
• Die Bedeutung von kalten atmosphärischen Plasmen (CAPs) in der Biomedizin hat in letzter Zeit zugenommen. Das Potenzial von CAPs wurde in zahlreichen wissenschaftlichen Arbeiten gezeigt. Hierbei wird vor allem ihre Wirksamkeit bei der Förderung der Wundheilung, der Begrenzung des Fortschreitens von Krebs und die Wirkung bei der Sterilisation von Oberflächen hervorgehoben. Die wichtigsten bioaktiven Moleküle, wie reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (RONS), sind Schlüsselkandidaten für diese Prozesse. Durch die Ionisierung von Edelgasen wird kaltes Plasma erzeugt, welches wiederum bei der Reaktion mit atmosphärischen Luftmolekülen, Spezies wie Singulett-Sauerstoff, atomare Sauerstoffradikale oder Stickstoffoxidradikale erzeugen. Obwohl molekulare Simulationen durchgeführt werden konnten, ist der Wirkungsmechanismus für biologische Moleküle, sowie die Möglichkeit, Plasmen so zu regeln, dass sie spezifische reaktive Spezies-Cocktails (z. B. mit unterschiedlichem Grad an Oxidationskraft) erzeugen, noch nicht vollständig erforscht. In dieser Dissertation, die in Form von 5 veröffentlichten, wissenschaftlichen Artikeln vorgelegt wird, wurde der Schwerpunkt auf die Wechselwirkung von Plasmen mit Peptiden und Proteinen gelegt, die die wichtigsten biologischen Effektoren in zellulären Kompartimenten sind. Durch die Entwicklung von Flüssigchromatographie-gekoppelten Massenspektrometrie (LC-MS)-Methoden wurden die Effekte nach der Behandlung mit Plasmen auf Peptide und Proteine in Form von oxidativen posttranslationalen Modifikationen (oxPTMs) untersucht. Die Charakterisierung dieser oxPTMs wurde durch die Behandlung von wässrigen Peptid- oder Proteinlösungen und auf Schweinehautgewebe durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die CAPs durch die Zufuhr geringer Mengen verschiedener anderer Gase (Sauerstoff, Stickstoff oder beides) sowie auch Wassermolekülen, zu regelbaren Werkzeugen werden, die somit entweder sauerstoffdominante Effekte oder stickstoffdominanten Effekten erzeugen können. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Aminosäureposition in einem Peptid oder Protein die Qualität und Quantität der entstehenden oxPTMs beeinflusst. Daneben wurden weitere wichtige Parameter wie Treibgase, Mischgase oder Behandlungsdauer als relevante Faktoren für die Modifikation von Aminosäuren in der Peptidstruktur identifiziert. Durch den Vergleich der Effekte zwischen Peptidlösungen und komplexen Matrices, wie der Schweinehaut, wurde Wasser als geeignetes Vehikel für den Transport und die Verstärkung der Plasmachemie identifiziert. In einer experimentellen Studie wurde die Inaktivierung eines Proteins (PLA2) nach CAP-Behandlung beobachtet, und zusammen mit Simulationsstudien wurde die Dioxidation von Tryptophan W128 als mögliche Erklärung für diese Inaktivierung entdeckt, was auf den starken Einfluss von Plasma auf biologische Ziele hinweist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in Peptidlösungen gefundenen oxidativen Modifikationen auch in komplexen Proteinstrukturen und Probenmatrizen beobachtet wurden. Abschließend lässt sich sagen, dass diese Arbeit einen Ausgangspunkt für künftige Untersuchungen oxidativer Modifikationen in komplexen Modellen bietet und somit hilfreich für weitere Untersuchungen in den Bereichen der Plasmamedizin und Redoxchemie sein kann.