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A physiological proteomic approach to address infection-related issues of Gram-positive bacteria
(2012)
Trotz der vielen wissenschaftlichen Fortschritten sind Infektionskrankheiten auch heute noch die Haupttodesursache weltweit. Sie haben nicht nur heute, sondern werden auch in der Zukunft eine große epidemiologische Bedeutung haben. Die komplexe Infektionsthematik sollte unter zwei Gesichtspunkten betrachtet werden: der Prävention und der Behandlung. Zur Prävention von Infektionen zählen neben der Dekontamination und Sterilisation auch die Impfungen sowie die Hygiene- und Gesundheitsaufklärung. Bei der Behandlung von Infektionen kann auf Antibiotika zurückgegriffen werden, wenn das humane Immunsystem die Infektionen nicht auf natürliche Weise bekämpfen kann. Zwischen 1969 und 2000 wurde kein neues Antibiotikum den bereits vorhandenen Antibiotikaklassen hinzugefügt. Parallel zu dieser schwindenden Antibiotikaforschung, verbreiten sich nosokomiale Infektionen und community-acquired (vor allem Methicillin-resistente) Infektionen rapide. Von besonderer Bedeutung ist die Grundlagenforschung an infektionsassoziierten Mikroorganismen, wie dem humanen Erreger Staphylococcus aureus. Im Zusammenhang mit Infektionen spielen Virulenzfaktoren eine entscheidende Rolle. Sie sind entweder an der Zelloberfläche platziert oder werden aktiv ins Medium sekretiert. Um das pathogene Potential von S. aureus besser zu verstehen und aufzuklären ist ein Verständnis über die Proteintransportwege essentiell. Momentan sind die Transportwege von Escherichia coli (Gram-negative) und Bacillus subtilis (Gram-positive) am besten charakterisiert. Viele Transportwegekomponenten wurden mittels Transkriptions und Proteomeanalysen auch in S. aureus konserviert gefunden und ermöglichten dadurch einen ersten Einblick in die Sekretionsmaschinerie. Das Verständnis, warum und wie Virulenzfaktoren Infektionen auslösen birgt ein großes Potential in der Suche nach verbesserter Infektionskontrolle und Behandlung. Kontaminierte medizinische Arbeitsmittel, wie zum Beispiel Katheter oder Endoskope können auch eine auslösende Quelle von Infektionen sein. Diese medizinischen Arbeitsmittel oder Geräte bestehen immer häufiger aus bio-kompatiblen Polymeren (z.B. Polyethylen (PE) oder Polyethylenterephthalat (PET). Diese thermosensitive Polymere können keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden, ohne dass sie beschädigt werden. Damit sind herkömmliche Sterilisationsverfahren (z.B. Autoklavieren) nicht anwendbar. Alternative chemische Verfahren (z.B. Ethylenoxid-Sterilisation) sind mit Nebenwirkungen und Risiken verbunden, die im medizinischen Bereich nicht akzeptabel sind. Alternative Dekontaminationsverfahren für diese thermosensitive Materialen sind also gefragt. Hierbei rückt das Niedertemperaturplasma (NTP) nicht nur bei den Physikern sondern auch bei den Biologen und Medizinern immer weiter in den Fokus der Forschung. NTP, welches unter atmosphärischen Druck erzeugt wird, ist aus einer Vielzahl von antimikrobiell aktiven Agentien und chemischen Produkten (z.B. atomarer Sauerstoff (O), Ozon (O3), Hydroxyl (OH), reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und reaktive Stickstoffspezies (RNS)) zusammengesetzt und stellt damit ein wirksames Mittel für die mikrobielle Dekontamination dar. Seit einiger Zeit wird NTP auch erfolgreich bei der Wundbehandlung angewendet. Erste Studien zeigen ein großes Potential von NTP-Wundbehandlungen in Hinblick auf verbesserte Wundheilung. Die Anwendung von Plasma in der Medizin könnte ganz neue Perspektiven eröffnet- das ist zumindest die Vision. Auf der praktischen Seite gibt es allerdings noch eine Vielzahl von offenen Fragen: (i) welche Art von Plasma ist für welchen Zweck am besten geeignet; (ii) was sind die Vorteile von Plasma im Vergleich zu gängigen medizinischen Behandlungen; (iii) ist Plasma ein ökonomische Alternative im Vergleich zu gängigen Anwandelungen und Standards? Bevor Plasma sicher und routinemäßig in Krankenhäusern zu Einsatz kommen kann ist es zusätzlich von größter Wichtigkeit den Einfluss von Plasma auf Zellen zu klären. Erst wenn die Plasma-Zell-Interaktion (pro- und eukaryotische Zellen) grundsätzlich untersucht und verstanden ist kann eine sichere, erfolgreiche und vor allem akzeptierte Implementierung in den Krankenhausalltag stattfinden.
Seit Einführung der multimodalen Chemotherapie vor über 30 Jahren liegt die 5- Jahres-Überlebensrate des Osteosarkoms (OS) unverändert bei ca. 70 %. Als potentielle neue Therapieoption ruft kaltes atmosphärisches Plasma (cold atmospheric plasma, CAP) in vitro antiproliferative Effekte in OS-Zellen hervor. Die zugrundeliegenden zellulären und molekularen Mechanismen wurden unter der Hypothese einer Induktion von Apoptose infolge CAP Behandlung untersucht. Effekte von CAP wurden anhand von zwei CAP-Quellen (kINPen MED und MiniJet-R) an zwei OS-Zelllinien (U2OS und MNNG/HOS) überprüft. Hinsichtlich früher apoptotischer Prozesse auf zellulärer Ebene erfolgte die Aktivitätsbestimmung der Effektorcaspasen 3 und 7 im Caspase-Assay. Spät in der apoptotischen Kaskade auftretende molekulare Prozesse wurden durch zwei unabhängige Nachweisverfahren von DNA-Strangbrüchen untersucht – Komet-Assay und TUNEL-Assay.
CAP Behandlungen mit dem kINPen MED führten zu signifikanter Hemmung der Zellproliferation zwischen 24 h und 120 h. Die Effektorcaspasen 3 und 7 zeigten infolge CAP Behandlung nach 24 h und 48 h erhöhte Aktivitätsniveaus. Im Komet- Assay wurden 24 h nach CAP Behandlung in U2OS-Zellen signifikant mehr DNA- Strangbrüche detektiert als in Kontrollansätzen. Der TUNEL-Assay ergab in beiden OS-Zelllinien nach 24 h und 48 h signifikant mehr DNA-Strangbrüche infolge CAP Behandlung. Die Effekte von CAP des kINPen MED konnten durch den MiniJet-R, der erstmals hinsichtlich biologischer Effekte auf maligne Zellen charakterisiert wurde, bestätigt werden. Sowohl antiproliferative Effekte als auch die Prozesse der frühen und späten apoptotischen Kaskade traten signifikant häufiger infolge CAP Behandlung mit dem MiniJet-R auf. Schlussfolgernd gehen antiproliferative Effekte von CAP mit Induktion von Apoptose in OS-Zellen einher, unabhängig von der verwendeten CAP-Quelle.
Die in vitro gezeigte CAP Effekte sollten hinsichtlich der klinischen Anwendung in vivo bestätigt werden. Obgleich die OS-Therapie weiterhin Domäne der Chirurgie und Chemotherapie bleiben wird, bilden die dargestellten zellulären und molekularen Effekte eine aussichtsreiche Grundlage für einen erfolgreichen adjuvanten Einsatz von CAP am OS.
Ziel dieser Arbeit war die Darstellung der physikalischen Charakteristik der zu untersuchenden DBD-Plasmaquelle. Außerdem sollte orientierend gezeigt werden, dass die entwickelte und geprüfte Plasmaquelle in dieser Konzeption biologisch verträglich ist und eine klinisch relevante Bakterienreduktion in vitro (RF) ermöglicht. Für die Risikobewertung wurden Untersuchungen der zu erwartenden UV-Belastung nach gültiger Referenzierung (ICNIRP), Ex-vivo-Studien mit Behandlung von Hautbiopsien sowie In-vivo-Studien am Mausmodell durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass bei keimwirksamen Behandlungsdosen mit großer therapeutischer Breite keine schädigungsrelevanten UV-Dosen appliziert wurden und weder ex vivo noch in vivo mikroskopische Schädigungen im Hautzellverband auftraten. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die charakterisierte und geprüfte DBD-Plasmaquelle für die Behandlung humaner Haut geeignet erscheint, was durch weiterführende Untersuchungen in vitro, ex vivo und in vivo in größeren Untersuchungsserien abzusichern ist. Anhand der Daten kann als potenzielle Behandlungsindikation die antimikrobielle Hautbehandlung abgeleitet werden, z.B. MRSA-Dekontamination oder die Behandlung von oberflächlichen Hautinfektionen.
Kaltes, gewebeverträgliches Plasma (tissue tolerable plasma – TTP) besitzt vielfach nachgewiesene anti-Tumor Effekte und stellt eine potentielle Option für die Tumortherapie dar. TTP ist ein partiell ionisiertes Gas, das durch Generierung reaktiver Spezies dosisabhängig proliferationshemmende Eigenschaften besitzt und dabei selektiver auf maligne gegenüber nicht-maligne Zellen wirkt. Das Pankreaskarzinom ist trotz moderner Medizin noch immer eine große Herausforderung im klinischen Alltag. Charakteristisch für das Pankreaskarzinom ist eine hochgradige Resistenz gegenüber Chemotherapeutika. Das potenteste Standardchemotherapeutikum Gemcitabin verlängert die mittlere Überlebenszeit nur um knapp zwei Wochen. TTP könnten hier eine Verbesserung bringen und durch synergistische Effekte eine Therapieergänzung darstellen.
Die vorliegende Arbeit untersucht in vitro die Effekte von TTP-behandeltem Medium und Gemcitabin auf murine 6606PDA-Pankreaskarzinomzellen und C57BL/6 Fibroblasten. Im Zellviabilitätsassay zeigte die Kombinationstherapie einen signifikant höheren inhibitorischen Effekt auf 6606PDA-Zellen als die jeweiligen Monotherapien. 25 s TTP-Behandlung führten bereits zu einer 50 % Reduktion der Zellviabilität. Im Gegensatz dazu waren es bei den Fibroblasten 70 s. Die Zugabe des Radikalfängers N-Acetylcystein bestätigte durch Abschwächung der TTP-Effekte die Mitbeteiligung reaktiver Spezies. Apoptose wurde im Caspase 3/7 Assay und p38 MAPK im Western Blot analysiert. Auch hier konnte die höchste Apoptoserate in 6606PDA-Zellen nach Kombinationsbehandlung nachgewiesen werden. Weiterhin inhibierte TTP alleine sowie in Kombination mit Gemcitabin signifikant die Tumorzellmigration. Durch die synergistischen Effekte war insgesamt eine Dosisreduktion von Gemcitabin bei signifikant hohem Tumorzelluntergang möglich.
Erstmalig konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, dass TTP-behandeltes Zellkulturmedium mit Gemcitabin in 6606PDA-Zellen synergistische anti-Tumor Effekte aufweist. Dabei konnten grundlegende Erkenntnisse über die molekularen Wirkungen gewonnen werden. Diese Ergebnisse müssen nun in weiteren Arbeiten in vivo verifiziert werden, um später einen erfolgreichen Transfer „from bench to bedside“ zu ermöglichen.
Due to a variety of plasma sources in terms of type of discharge, energy yield, working gas or geometric factors, it is recommended to standardize the study protocol by choosing a plasma source and easy access to rugged tumor surfaces as demonstrated by the CAP-plasma-jet. The intention of the trial shall be to optimize the plasma jet for tumor site capability and operating room implementation.
It makes sense to start clinical trials in plasma medicine with the treatment of head and neck squamous cell carcinoma patients of infected wounds and ulcerations.
CAP is able to reduce contamination of cancer ulcerations and the typical fetid odor that often accompanies head and neck cancer patients. The intention of the trial shall be to evaluate the efficiency of decontamination in head and neck cancer ulcerations in terms of pathogenic species, amount of reduction and reliability.
Standardize study protocol:
Phase I, clinical explorative single-arm, randomized, open, multicenter
Primary objective
Reduction of microbial burden of cancer ulcerations by application of CAP
Secondary objective:
Reduction of tumor following local CAP application
Inclusion:
20 Patients suffering from locally advanced oral cavity carcinoma with open tumor surfaces, treated with palliative intention and no more curative treatment options
Exclusion:
No wish for treatment, no compliance and understanding the protocol of the clinical study
Efficacy:
reduction of microbial burden; Documentation of visible changes by photography; Pathohistological and biochemical examination of specimen, taken from the tumor area and control areas
Procedure:
Plasma is applied for 1 minute per cm², spot area of 3 mm diameter distance between nozzle and tumor surface of 14 mm. 3 times/week with a break of 1 week followed by a repeated cycle for another week.
Conclusion:
The most important intention of the trial from the clinician’s point of view shall be to make CAP-treatment an effective and well-accepted addition to standard cancer therapy based upon EBM at least in palliative medicine.
Beams of ions and electrons are a source of free energy which can be transferred to waves via an instability. Beams exist in almost all plasma environments, but their instabilities are particularly important for the dynamics of space plasmas. In the absence of collisions, the instability drives waves to large amplitudes and forms nonlinear structures such as solitary waves. The electric fields in these waves can scatter particles in the background plasma, or disrupt currents. Both of these effects are important for the overall dynamics of the plasma. In this thesis, both electron and ion beam plasma instabilities have been investigated in the linear plasma device VINETA and using a Particle-in-Cell simulation. The electron beam instability has been demonstrated by previous authors to be a useful diagnostic for the plasma density. The spatial resolution of previous results was confirmed at a few millimetres, and a temporal resolution of 1ms was shown for the first time. An ion beam was generated with a double plasma discharge. Compared to space, this environment and indeed most laboratory plasmas have considerably higher collisionality and a limited spatial extent which introduces gradients in the plasma. Gradients perpendicular to the beam propagation direction are linked to a decrease of both the wavelength and amplitude of the instability. It was observed in both experiment and simulation that gradients in sheaths at the boundaries of the plasma not only affect the time averaged plasma parameters, but also excite instabilities. Fluctuations within the sheath spread the beam in velocity space, effectively increasing its temperature. Warmer beams require a higher drift velocity to excite an instability. This was also confirmed by experimental and numerical results. Collisions are shown to be the dominant damping force for the electron beam instability. For ions, collisions play an important role in the simulation, but appear to be overshadowed by Landau damping from impurities in the experiment. When boundary conditions are removed from the simulation, wave amplitudes increase and nonlinear effects become important. Saturation by particle trapping and coalescence of phase space holes is observed, which could eventually lead to the solitary waves as they are observed in space plasmas.
Im Jahr 2020 wurden die 50-häufigsten Operationen insgesamt 15.823.464-mal durchgeführt und das entspricht rechnerisch ca. einer Operation auf fünf Einwohnern in Deutschland. Bei jeder dieser Operationen ist die Blutungsstillung eine therapeutische Notwendigkeit. Intraoperativ wird dafür häufig die Elektrokauterisierung verwendet, die aber mit einem Risiko der Nachblutung, Perforation und Gewebezerstörung einhergeht. Eine neue Variante zum Blutungsmanagement kann kaltes physikalisches Plasma (Gas-Plasma) darstellen. Dies ist ein energiereiches Gas, welches durch verschiedene Mechanismen, wie Temperatur, angeregte chemische Spezies, UV- und Wärmestrahlung, wechselwirkt. Es wurden in-vitro Untersuchungen an menschlichem Blut durchgeführt, um einen Wirkungsmechanismus von Gas-Plasma zu demaskieren.
In der vorliegenden Arbeit wurde festgestellt, dass ein Großteil der Thrombozytenaktivierung durch Gas-Plasma (ca. 55 %) auf eine Lyse der Erythrozyten zurückzuführen ist. Die Hämolyse wurde spektroskopisch nachgewiesen und in Abhängigkeit von der Behandlungszeit quantifiziert. Die Thrombozyten reagieren mit einer PI3K/Akt/p38-vermittelten Signalkaskade, welche schließlich zu deren Aktivierung führt. Bei der Signaltransduktion wurde eine Bedeutung von intrazellulären ROS und eine Hyperpolarisation der Mitochondrien der Thrombozyten festgestellt. Die Signaltransduktion kann über den Einfluss von ADP auf den P2Y12-Rezeptor erklärt werden. Es wurde ein auf künstliche Intelligenz basierender Auswertungsalgorithmus angewandt, welcher den Nachweis von vermehrten Thrombozytenaggregaten nach Applikation von Gas-Plasma erbrachte. Gas-Plasma wirkt über eine Vielzahl an reaktiven Spezies und ein alleiniger Einfluss von Wasserstoffperoxid, hypochloriger Säure und Superoxidanionen scheint unwahrscheinlich. Die Erklärung der Hämolyse wurde auf Singulett-Sauerstoff und Ozon zurückgeführt. Daneben kann NO direkt auf Thrombozyten wirken. Es wurde die erste Messung der oberflächlichen Temperatur einer Flüssigkeit bei Behandlung mit Gas-Plasma vollzogen. Dabei wurde eine geringe Änderung der Temperatur festgestellt. Weiterhin wurde der Einfluss der Evaporation als gering gewertet. Da die Anwendung von Gas-Plasma körpereigene Gerinnungsmechanismen beschleunigt, desinfizierend wirkt und nebenwirkungsarm ist, besitzt Gas-Plasma großes klinisches Potential im Bereich der chirurgischen Blutgerinnung.
Das Nierenzellkarzinom (NZK) gehört zu den häufigsten malignen Erkrankungen in Deutschland. Während lokal begrenzte Tumoren nach chirurgischer Resektion eine sehr gute Prognose haben, liegt die mittlere 5-Jahres-Überlebensrate bei metastasierten NZK bei lediglich 17 %. Die schlechte Prognose ist unter anderem auf die Resistenz von NZK gegenüber klassischen Chemotherapeutika zurückzuführen. Moderne zielgerichtete Wirk-stoffe zeigen ein etwas besseres Ansprechen, allerdings werden komplette Remissionen nur in den seltensten Fällen beobachtet. Dies macht die Entwicklung neuer Behandlungs-methoden erforderlich.
Der Einsatz kalter atmosphärischer Plasmen (CAP) ist eine innovative und vielverspre-chende Therapieoption bei der Behandlung von Malignomen. Diverse Arbeiten zeigten eine antiproliferative Wirkung auf Krebszelllinien verschiedener Entitäten. Die Wirkung von CAP auf NZK-Zellen wurde bisher nicht untersucht und ist Gegenstand dieser Arbeit.
Wir konnten zeigen, dass CAP die Proliferation von humanen NZK-Zellen effektiv hemmt. Dies war einerseits auf die Induktion von Apoptose und andererseits auf eine Reduktion der Zellteilungsrate zurückzuführen. Neben der Wachstumshemmung konnten wir auch eine herabgesetzte Migrations- und Invasionsfähigkeit der Zellen nach CAP-Behandlung beobachten. Außerdem konnten wir zeigten, dass CAP zu einer Schädigung der Cyto-plasmamembran führt. Darüber hinaus wurde die Expression von Resistenzfaktoren durch eine CAP-Behandlung beeinflusst.
Diese in-vitro gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass CAP das Potential hat, die beste-henden Therapieoptionen bei NZK zu erweitern bzw. zu ergänzen.
There has been a substantial evolution of anti-cancer therapies in the last decade, leading
to improved prognosis and disease-free survival of patients with melanoma. Due to the
number of patients that still develop resistance or to the high systemic toxicity and side
effects, new treatment options are still needed. Regardless of the type of therapeutic
interventions (except surgery), the reactive oxygen species (ROS) are a by-product or
contribute to the action mechanism of many successful therapies. In this context, medical
cold atmospheric plasma (CAP) arises as a promising tool, and studies are important to
prove the effectiveness of this new device.
Since combination therapies are the current standard way to treat melanoma, we explored
candidates to be combined with cold atmospheric plasma, with potential to become a
therapeutic option in the combination. Here, we tested the radiotherapy and clinically safe
mitochondrial inhibitor drugs. In the end of the study, both, ionizing radiation and four
mitochondrial-targeted-drugs showed to be promising candidates for the combination with
CAP. These combinations induced increased cytotoxicity and modulated the immune
system improving the anti-tumor immune response. Mitochondrial damage seems to be
the first stage to induce cellular deficiency and culminate in apoptotic cell death.
Furthermore the release of GM-CSF contribute to a pro inflammatory state and immune
system activation.
This dissertation showed that CAP serves as an excellent tool to boost melanoma cell
death and induce anti-tumor response. In addition, in our proposed therapeutic
combination, the intensity of plasma treatment could be decreased possibly resulting in
less systemic toxicity. Our results serves as model to be studied in other tumor entities.
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.