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Proteome dynamics of non-thermal atmospheric plasma treated airway epithelial cells

  • Non-thermal atmospheric pressure plasma has recently been shown to have broad application potential for medical as well as industrial purposes. Improved wound healing and tissue decontamination have been described as consequences of non- thermal plasma treatment. However, thus far the underlying molecular mechanisms in human tissues have only been partially characterized. In this work a two-dimensional difference in-gel electrophoresis (2D-DIGE) approach was used and an analysis-workflow to study the response of human cells to atmospheric pressure non-thermal plasma was established. Human S9 bronchial epithelial cells were used as a model for airway epithelial cells. They were treated with atmospheric pressure plasma jet (APPJ) for different periods of time. Subsequently, time-resolved comparative proteome analysis was used to study the complex cellular adaptation reactions after a 120 sec plasma treatment, which accelerated wound healing in a clinically relevant model. The results indicate, that intracellular oxidative stress due to the non-thermal plasma treatment either leads to cell death or to proliferation. The oxidative stress response, mediated by Nrf2, appears to play a pivotal role in molecular signalling and might be a key pathway determining the fate of stressed cells. This thesis demonstrates changes in Nrf2-expression after non-thermal plasma treatment. Furthermore, potential protein biomarker candidates for evaluation of oxidative stress after non-thermal plasma treatment were identified. Finally, it is shown, that the cytosolic concentrations of IL-1beta and IL-33 were decreased following non-thermal plasma treatment. Thus, modulation of innate immune response by non-thermal plasma treatment of epithelial cells (ENTplas treatment) is concluded.
  • Für nicht-thermisches Plasma konnte in der Vergangenheit ein großes Anwendungspotenzial für medizinische und industrielle Zwecke ermittelt werden. So wurden in Folge von nicht-thermischen Plasmabehandlungen Ergebnisse beschrieben, die eine verbesserte Wundheilung oder eine Gewebedekontamination zeigen. Jedoch sind die zugrundeliegenden molekularbiologischen Mechanismen bis jetzt nur zu einem Bruchteil charakterisiert. In dieser Arbeit wurde ein zweidimensionaler „difference in-gel“ Gelelektrophoreseansatz (2D-DIGE) gewählt und ein Analyse-Arbeitsablauf erstellt, um die Reaktionen humaner Zellen auf eine atmosphärisch nicht-thermische Plasmabehandlung zu untersuchen. Dafür wurden bronchiale S9-Epithelzellen als Modell für Atemwegsepithelien gewählt. Diese wurden mit einem Plasmajet (APPJ) für verschiedene Zeitspannen behandelt. Anschließend wurde eine zeitaufgelöste vergleichende Proteomanalyse durchgeführt, um die komplexen zellulären Adaptationsmechanismen nach einer 120-sekündigen Plasmabehandlung zu untersuchen, welche zuvor eine Wundheilungsbeschleunigung in einem klinisch relevanten Wundmodell gezeigt hatte. Die Ergebnisse zeigen, dass oxidativer Stress, ausgelöst durch die Plasmabehandlung, entweder zum Zelltod oder zum Zellwachstum führen kann. Dabei scheint die oxidative Stressantwort vermittelt durch Nrf2 eine zentrale Rolle in der molekularen Antwort zu spielen und könnte ein schicksalsbestimmender Mechanismus für die gestressten Zellen sein. In dieser Arbeit wurden Änderungen in der Nrf2-Expression nach einer nicht-thermischen Plasmabehandlung gefunden. Darüberhinaus konnten potenzielle Proteinbiomarker zur Validierung des Auftretens oxidativen Stresses nach einer nicht-thermischen Plasmabehandlung identifiziert werden. Schließlich wird gezeigt, dass zytosolische Konzentrationen von IL-1beta und IL-33 nach der nicht-thermischen Plasmabehandlung verringert sind. Daraus können erste Hinweise auf eine Modulation der angeborenen Immunantwort durch eine nicht-thermische Plasmabehandlung der Atemwegsepithelzellen geschlussfolgert werden.

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Metadaten
Author: Philipp Emicke
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001302-0
Title Additional (German):Proteomdynamiken von S9- Atemwegsepithelzellen nach atmosphärisch nicht-thermischer Plasmabehandlung
Advisor:Prof. Dr. Werner Hosemann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/09/27
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Universitätsmedizin (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2012/08/28
Release Date:2012/09/27
Tag:airway epithelial cells, non-thermal plasma, proteomics
GND Keyword:Kaltes Plasma, Proteomanalyse, Zellkultur
Faculties:Universitätsmedizin / Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen-, Ohrenkrankheiten
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit