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Die Effekte einer Behandlung mit kaltem Atmosphärendruckplasma auf die Zell-Zell-Kommunikation und den Nrf2-Signalweg in dermalen Fibroblasten aus Maushaut

  • Im Rahmen dieser Arbeit sollte die Reaktion primärer dermaler Fibroblasten, die für die Versuche aus SKH1-Mäusen isoliert wurden, auf eine Kaltplasma-Behandlung mittels des Argon-betriebenen Plasmajets „kINPen MED“ hinsichtlich ihrer Reaktion auf oxidativen Stress, ihrer interzellulären Kommunikation über Gap Junctions (GJ) und der Organisation ihres Aktin-Zytoskeletts untersucht werden. Die Plasmabehandlung erfolgte dabei stets indirekt, also durch die Behandlung von Zellkulturmedium, in dem die Zellen anschließend inkubiert wurden. Es ergab sich für die angewendeten Versuchsmodalitäten keine signifikante Induktion von Apoptose durch die indirekte Plasmabehandlung von 20 s bis 180 s, wohingegen die metabolische Aktivität der Zellen bei längeren Behandlungszeiten bis 72 h nach der Plasmabehandlung signifikant reduziert wurde. Dies zeigt die von der Behandlungszeit abhängige Beanspruchung der Fibroblasten durch die Plasmabehandlung und gleichzeitig ihre Kompensationsfähigkeit, die die Zellen auch bei 180 s Behandlungszeit vor dem vermehrten Auftreten von Apoptose schützen konnte. Nach einer Plasmabehandlung konnte die Aktivierung des Nrf2-Signalwegs nachgewiesen werden, der als zellulärer Schutzmechanismus gegen oxidativen Stress fungiert. So wurde sowohl in den Fibroblasten als auch im Primärgewebe eine Translozierung des Nrf2 in den Zellkern gezeigt. Hierbei wurde auch die Aktivierung des Redox-Sensors Keap1 nachgewiesen, der unter physiologischen Bedingungen Nrf2 bindet und dessen Abbau im Proteasom vermittelt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung der Zell-Zell-Kommunikation, die vor allem über funktionale GJ-Kanäle erfolgt. Dabei wurde in einem SLDT Assay die Zunahme funktionaler GJ-Kanäle in plasmabehandelten Fibroblasten festgestellt. Außerdem ergab sich eine Tendenz zum Anstieg der Gen- und Proteinexpression von Connexin 43, was unter physiologischen Bedingungen in dermalen Fibroblasten während der Frühphase der Wundheilung beschrieben wurde. Die Plasmabehandlungen induzierten außerdem strukturelle Veränderungen am Aktin-Zytoskelett in den dermalen Fibroblasten. Solche dynamischen Veränderungen des Zytoskeletts sind während der Wundheilung ebenfalls von entscheidender Bedeutung, da sie die interzelluläre Adhäsion und damit die Migration von Fibroblasten ermöglichen. Die hier beobachteten Veränderungen zeigten sich vor allem bei kürzeren Behandlungs- und Inkubationszeiten, während gleichzeitig keine signifikante Zunahme apoptotischer Zellen festgestellt wurde. Dies legt nahe, dass durch kurze Plasmabehandlungszeiten in primären Fibroblasten ein Hormesis-Effekt induziert wird, also dass die zeitlich begrenzte Aktivierung zellulärer Schutzmechanismen als Reaktion auf den Stress einer Plasmabehandlung (Radikalbildung, UV-Strahlung) günstige, die Wundheilung fördernde Effekte bewirkt.
  • The aim of this thesis was to explore the reaction of primary dermal fibroblasts, which were isolated from SKH1-mice, to a cold atmospheric-pressure plasma treatment using the argon-based plasma jet “kINPen MED” concerning their reaction to oxidative stress, their cell-cell communication via gap junctions and the organization of their actin cytoskeleton. The plasma treatment was administered in an indirect fashion by treating cell culture medium, which was afterwards used to incubate the cells. The results showed no significant induction of apoptosis by the indirect plasma treatment for treatment times between 20 s and 180 s, while the metabolic activity of cells was reduced significantly for up to 72 h in the cells that were plasma treated longer. This shows the correlation between plasma treatment time and cellular stress and at the same time their ability to compensate for this stress, protecting them from a possible increase in apoptosis after plasma treatment of up to 180 s. After plasma treatment an induction of the Nrf2 signaling pathway was shown, which functions as cellular safeguard against oxidative stress. The translocation of Nrf2 into the nucleus was demonstrated in primary fibroblasts as well as in skin tissue. An activation of the redox sensor Keap1 was shown as well, which binds Nrf2 physiologically and marks it for degradation in the proteasome. Another key point of this thesis was exploring the cell-cell communication via functional gap junctions. The results showed an increase in functional gap junctions in plasma treated fibroblasts using the SLDT assay as well as a tendency for increased gene and protein expression of Connexin 43, which has been described to be occurring physiologically in dermal fibroblasts in the early stages of wound healing. The plasma treatment also induced structural changes of the actin cytoskeleton in the dermal fibroblasts. Such dynamic changes of the cytoskeleton perform a key function in wound healing by allowing intercellular adhesion and thus the migration of fibroblasts. The observed cytoskeletal changes occurred at shorter treatment and incubation times while at the same time no increase in apoptosis occurred. This suggests the induction of a hormesis effect, meaning a temporary activation of protective cellular pathways in reaction to the stress of the plasma treatment (generation of radicals, UV radiation) which results in beneficial effects for wound healing.

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Metadaten
Author: Tim Blakowski
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-55977
Title Additional (English):The effects of a cold atmospheric-pressure plasma treatment on cell-cell communication and the Nrf2 signaling pathway in dermal fibroblasts from mouse skin
Referee:Prof. Dr. Thomas von WoedtkeORCiD, Prof. Dr. Steffen Emmert
Advisor:Prof. Dr. Thomas von Woedtke, Dr. Anke Schmidt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/08/23
Granting Institution:Universität Greifswald, Universitätsmedizin
Date of final exam:2021/06/24
Release Date:2021/08/23
Tag:Aktin
Actin; CAP; Cx43; Keap1; Nrf2
GND Keyword:Fibroblast, Zellkommunikation, Zellmigration, Oxidativer Stress, Connexin, Apoptosis, Zellskelett, Haut, Kaltes Plasma, Maus
Page Number:114
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Hygiene und Umweltmedizin
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit