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The requirements for new technologies to serve as anticancer agents go far beyond their toxicity potential. Novel applications also need to be safe on a molecular and patient level. In a broader sense, this also relates to cancer metastasis and inflammation. In a previous study, the toxicity of an atmospheric pressure argon plasma jet in four human pancreatic cancer cell lines was confirmed and plasma treatment did not promote metastasis in vitro and in ovo. Here, these results are extended by additional types of analysis and new models to validate and define on a molecular level the changes related to metastatic processes in pancreatic cancer cells following plasma treatment in vitro and in ovo. In solid tumors that were grown on the chorion-allantois membrane of fertilized chicken eggs (TUM-CAM), plasma treatment induced modest to profound apoptosis in the tissues. This, however, was not associated with a change in the expression levels of adhesion molecules, as shown using immunofluorescence of ultrathin tissue sections. Culturing of the cells detached from these solid tumors for 6d revealed a similar or smaller total growth area and expression of ZEB1, a transcription factor associated with cancer metastasis, in the plasma-treated pancreatic cancer tissues. Analysis of in vitro and in ovo supernatants of 13 different cytokines and chemokines revealed cell line-specific effects of the plasma treatment but a noticeable increase of, e.g., growth-promoting interleukin 10 was not observed. Moreover, markers of epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), a metastasis-promoting cellular program, were investigated. Plasma-treated pancreatic cancer cells did not present an EMT-profile. Finally, a realistic 3D tumor spheroid co-culture model with pancreatic stellate cells was employed, and the invasive properties in a gel-like cellular matrix were investigated. Tumor outgrowth and spread was similar or decreased in the plasma conditions. Altogether, these results provide valuable insights into the effect of plasma treatment on metastasis-related properties of cancer cells and did not suggest EMT-promoting effects of this novel cancer therapy.
Cancer stem cells (CSCs) represent a small subset of slowly dividing cells with tumor-initiating ability. They can self-renew and differentiate into all the distinct cell populations within a tumor. CSCs are naturally resistant to chemotherapy or radiotherapy. CSCs, thus, can repopulate a tumor after therapy and are responsible for recurrence of disease. Stemness manifests itself through, among other things, the expression of stem cell markers, the ability to induce sphere formation and tumor growth in vivo, and resistance to chemotherapeutics and irradiation. Stemness is maintained by keeping levels of reactive oxygen species (ROS) low, which is achieved by enhanced activity of antioxidant pathways. Here, cellular sources of ROS, antioxidant pathways employed by CSCs, and underlying mechanisms to overcome resistance are discussed.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Wechselwirkung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) mit organischen Molekülen anhand zweier unterschiedlicher Systeme analysiert. Während einerseits der Einfluss von ROS auf eine organische Monoschicht am Beispiel des synthetischen, kationischen Polyelektrolyten Polyethylenimin (PEI) untersucht wurde, stand andererseits die Wechselwirkung von ROS mit einem DNS-Molekül, dem Biopolyelektrolyten pBR322 im Fokus des Interesses. Für die Untersuchungen der ROS-PEI-Wechselwirkung wurde zunächst verzweigtes PEI flach (RMS-Rauigkeit < 1 nm) auf einem Silizium-Substrat adsorbiert. Mit Hilfe der Fenton-Reaktion wurde die PEI-Monoschicht dem Einfluss von ROS ausgesetzt. Anhand von Kraft-Abstands-Kurven (KAK) konnte gezeigt werden, dass die flache Konformation der PEI-Monoschicht nach dem ROS-Einfluss erhalten bleibt. Des Weiteren konnte mittels Adsorption negativ geladener Gold-Nanopartikel (AuNP) demonstriert werden, dass die PEI-Oberfläche auch nach der Wechselwirkung mit ROS positiv geladene Gruppen enthält. Darüber hinaus konnte mit Hilfe der KAK gezeigt werden, dass sowohl die Oberflächenladungsdichte (OFL) als auch das Oberflächenpotential (OFP) unter ROS-Einfluss um einen Faktor 0,5 reduziert wurden. Es wurde gezeigt, dass die Reduzierung von OFL bzw. OFP auf die Abspaltung positiv geladener Gruppen der PEI-Monoschicht zurückgeführt werden kann. Mit Hilfe der dreidimensionalen Kraftspektroskopie wurde gezeigt, dass OFL und OFP auf einer Längenskala von 1,8 bis 30 µm lateral homogen sind. Darüber hinaus wurde anhand der AuNP-Belegungsdichte demonstriert, dass die Ladungsträger innerhalb der PEI-Oberfläche auf einer Längenskala oberhalb von 36 nm homogen verteilt sind. Hinsichtlich kleiner Längenskalen (< 36 nm) kann konstatiert werden, dass aufgrund einer verzögerten Adsorptionskinetik der AuNP nach der ROS-PEI-Wechselwirkung mit einer partiell reduzierten Bindungswahrscheinlichkeit zu rechnen ist. Vermutlich bewirkt der ROS-Einfluss eine inhomogene Verteilung der positiven Ladungsträger innerhalb der PEI-Monoschicht auf einer Längenskala von einigen nm. Experimentell ergibt sich darüber hinaus, dass eine 50 %ige Reduzierung des PEI-Oberflächenpotentials einer Abnahme von etwa 10 % der maximalen, anteiligen AuNP-Belegungsdichte entspricht. Diese experimentell bestimmten Parameter konnten unter Einbeziehung eines erweiterten drei-Körper RSA-Modelles erklärt werden. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Methode der Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Schäden eingeführt. Dazu wurden die DNS-Moleküle zunächst mittels Fenton-Reaktion dem Einfluss von ROS ausgesetzt, auf Polyallylamin-Hydrochlorid-funktionalisiertem Glimmer adsorbiert und mittels des RKM im intermittierenden Modus (RKM-IM) abgebildet. Die Klassifizierung der DNS-Moleküle erfolgt unter Berücksichtigung des Kettenhöhenunterschiedes von doppelsträngiger- (dsDNS) und einzelsträngiger (esDNS) DNS. Als ROS-induzierter DNS-Schaden wird hierbei der Konformationsübergang von dsDNS (intakt) in esDNS (defekt) identifiziert. Die zentrale Messgröße der vorgestellten Methode ist demnach die DNS-Kettenhöhe, welche sich im Falle immobilisierter DNS-Moleküle mit einer Genauigkeit im Sub-Ångström-Bereich mit Hilfe des RKM-IM bestimmen lässt. Für die automatisierte Quantifizierung der Flächen, welche mit dsDNS respektive esDNS belegt sind, wurde ein Höhengrenzwert-basierter Auswertungs-Algorithmus konstruiert. Neben der Variation der Stärke der ROS-DNS-Wechselwirkung mittels verschiedener H2O2-Konzentrationen innerhalb der Fenton-Reaktion, wurde der Einfluss eines Radikalfängers am Beispiel des Natriumacetats (NaOAc) auf diese Wechselwirkung untersucht. Mit der Quantifizierung der ROS-DNS-NaOAc-Wechselwirkung wurde gezeigt, dass der anteilige DNS-Schaden mit wachsender H2O2-Konzentration zunimmt und mit steigender NaOAc-Konzentration abnimmt. Darüber hinaus wurde die Anwendbarkeit der in dieser Arbeit eingeführten Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Schäden mit Hilfe eines reaktionskinetischen Ansatzes unter Verwendung des Modelles der kompetitiven Hemmung analysiert. Auf diese Weise wurden Ratenkonstanten der Wechselwirkung zwischen NaOAc mit Hydroxylradikalen verifiziert und somit die Validität des eingeführten Konzeptes demonstriert. Des Weiteren ermöglicht die automatisierte Datenanalyse einen vergleichsweise hohen Datendurchsatz und eignet sich daher gut für die Untersuchung der komplexen Wechselwirkung zwischen ROS, Radikalfänger und DNS. Anhand eines Vergleiches mit den etablierten Methoden zur Quantifizierung ROS-induzierter DNS-Schäden ergibt sich unter Einbeziehung des, in dieser Arbeit eingeführten Analyseverfahrens, ein komplementäres Verständnis der ROS-DNS-Wechselwirkung über einen großen Längenskalenbereich.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden erstmalig systematische Untersuchungen zum Thema „Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkungen“ dargestellt. Es gelang mit Hilfe einer geeigneten kalten Atmosphärendruckplasmaquelle in Form einer dielektrisch behinderten Oberflächenentladung (DBE) ein Plasma in verschiedenen Arbeitsgasen zu zünden und Flüssigkeiten ohne direkten Plasmakontakt zu behandeln. Um einen Einblick in die komplexen Mechanismen zu bekommen, wurde im analytischen Teil dieser Arbeit das Plasma mittels OES untersucht, die angrenzende Gas-Phase mittels FT-IR-Spektroskopie und MS, und anschließend die Flüssigkeit unter Nutzung photometrischer Methoden und pH-Wert-Messungen. Auf der Basis dieser Untersuchungen folgten theoretische Ausführungen zu möglichen Wechselwirkungen der detektierten Komponenten mit der Flüssigkeit. Theoretisch entstehen bei der Luftplasmabehandlung von Wasser, über Zwischenprodukte (ROS und RNS) wie z. B. HO•, HOO•, NO•, NO2•, schlussendlich H+, NO3-, NO2- und H2O2. Bei der Argon- und Argon-Sauerstoff-Plasmabehandlung von Wasser dürften aufgrund des Stickstoffmangels nur ROS entstehen, die in der Entstehung von H+ und H2O2 enden. Diese Hypothesen zur Bildung der Spezies NO3-, NO2- und H2O2, sowie die Ansäuerung der Flüssigkeit wurden mittels photometrischer Methoden und pH-Wert-Messungen überprüft und bestätigt. Im anschließenden biologischen Teil der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Plasmabehandlungen in den verschiedenen Arbeitsgasen auf in physiologischer NaCl-Lösung und PBS suspendierte Mikroorganismen (E. coli, S. aureus und B. atrophaeus Sporen) untersucht. In ungepuffertem Medium wurden die vegetativen Mikroorganismen innerhalb weniger Minuten Plasmabehandlung inaktiviert. In PBS hingegen wurden längere Behandlungszeiten benötigt. Das Plasma hatte auf die suspendierten Sporen wie erwartet kaum eine inaktivierende Wirkung. Die zwei vermutlichen Hauptwege laufen einerseits über reaktive Stickstoffspezies (RNS) und andererseits über reaktive Sauerstoffspezies (ROS). RNS können in Wechselwirkung mit Wasser über diverse zelltoxische Zwischenprodukte wie z. B. NO•, NO2•, N2O3, ONOOH, ONOO- zu NO3- und NO2- umgesetzt werden. ROS in Interaktion mit Wasser resultieren in Bildung von H+ und H2O2. Auch hier wird angenommen, dass eine Vielzahl an antimikrobiellen Komponenten entsteht, z. B. HO•, HOO•, O2•-. Es gibt folglich sehr viele Reaktionen und Interaktionen zwischen plasmagenerierten reaktiven Spezies und Wasser, welche in zelltoxischen Komponenten enden und die inaktivierende Wirkung des Plasmas auf suspendierte Mikroorganismen erklären. Um die Interaktionen zwischen den Phasen Plasma-Gas-Flüssigkeit besser zu verstehen und Hypothesen zu prüfen, wurden einerseits die Mikroorganismen-Suspensionen und destilliertes Wasser nur mit plasmabehandeltem Gas behandelt und andererseits die Mikroorganismen plasmabehandelter Flüssigkeit ausgesetzt. Die Untersuchungen zeigten deutlich, dass die plasmainitiierte Chemie und damit die biologischen Effekte des Plasmas auf das Gas bzw. in Flüssigkeit übertragen werden. Folglich werden biologische Effekte des Plasmas über die Gas- und Flüssigkeits-Phase vermittelt und Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkungen müssen immer im zusammenhängenden chemischen System Plasma-Gas-Flüssigkeit(-Zelle) betrachtet werden. Weiterhin wurden chemische und mikrobiologische Effekte durch den Einfluss von gasförmigem NO• und O3 auf Wasser bzw. suspendierte Mikroorganismen untersucht und mit der Luftplasmabehandlung verglichen. Hierbei zeigten beide Begasung deutlich geringere inaktivierende Effekte als die Luftplasmabehandlung. Die Begasung von Mikroorganismen mit NO• und O3 und die Analytik von begastem Wasser geben einen detaillierten Einblick in die Chemie und Mechanismen der RNS und ROS. Die Behandlung mit der dielektrisch behinderten Oberflächenentladung in Luft vereint diese zwei Hauptwege über RNS und ROS und resultierte somit in effektiveren antimikrobiellen Wirkungen. Durch die Experimente der vorliegenden Arbeit wurde ein geeignetes biologisches Modell gefunden und validiert, um den Einfluss von Plasma auf lebende Zellen zu untersuchen und Mechanismen von Plasmabehandlungen aufzudecken. Anhand des Modells „Mikroorganismen-Suspension“ konnte gezeigt werden, dass die Gas-Phase (Behandlungen mit DBE-Abgas) und die extrazelluläre Flüssigkeit (Behandlungen mit plasmabehandelter Flüssigkeit) eine bedeutende Rolle bei der Vermittlung der Plasmaeffekte spielen. Die Spezies aus dem Plasma gelangten über die Gas-Phase durch Diffusion/Penetration/ Interaktion in die Flüssigkeits-Phase, reagierten teilweise zu anderen reaktiven Spezies weiter und erreichten so die Zellen. Die verschiedenen analytischen Methoden und anschließende theoretische Betrachtungen der Phasen Plasma-Gas-Flüssigkeit gaben einen detaillierten Einblick in die chemischen Mechanismen von Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkungen und zeigten biologisch wirksame Komponenten auf.
An Serin139 phosphoryliertes gamma Histon H2A.X (γH2A.X) hat sich über die Jahrzehnte als sensitiver Surrogat-Endpunkt Strahlen-induzierter DNA-Schäden, insbesondere von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSBs) etabliert. Daher wurde γH2A.X in seiner biomedizinischen Anwendung als geeigneter Marker und genereller Indikator direkter DNA-Schäden anderer Agenzien, beispielsweise niedrig konzentrierter primär exogener reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), deren intrazelluläre Effekte weniger direkt auf eine DNA-Oxidation oder das Einfügen von Strangbrüchen abzielen, angesehen. Nicht-thermisches physikalisches Plasma (NTPP), ein teilweise ionisiertes Gas, dessen biochemische Wirkung in vitro hauptsächlich über Freisetzung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies (RONS) in der flüssigen Phase der Zellumgebung vermittelt wird, setzt lebende Systeme dosisabhängig oxidativem Stress aus und wird therapeutisch in der Wundbehandlung sowie Krebsbehandlung angewendet. Die γH2A.X Quantifizierung wurde häufig zur Beurteilung der Genotoxizität in Plasma-behandelten Zellen verwendet, wobei die NTPP-Exposition in vitro bereits häufig einen γH2A.X Anstieg zeigte, was zu der Hypothese führte, dass ein (oxidativer) DNA-Schaden die direkte Konsequenz Plasma-generierter ROS sei. Darüber hinaus tritt γH2A.X auch während der Apoptose auf, die wiederum selbst mit der NTPP- und ROS-Exposition assoziiert ist. Die vorliegende Arbeit untersuchte die γH2A.X-Induktion in einer Lymphoblasten-Zelllinie bei ROS-Exposition (NTPP, H2O2 oder HOCl) bzw. Behandlung mit UVB-Licht. Durch Verwendung von Antioxidantien wurden sowohl die Zytotoxizität als auch die γH2A.X-Induktion bei allen Arten der ROS-Quellen außer bei UVB-Strahlung aufgehoben. Inhibition der Signalwege für oxidativen Stress (p38-MAPK) und Apoptose (Pan-Caspase) hemmten signifikant die γH2A.X-Induktion bei ROS, jedoch nicht bei UVB-Licht. Letztlich und trotz H2A.X Phosphorylierung führte die UVB-Licht- und eben nicht die NTPP-Exposition zu einer signifikanten Bildung von Mikronuklei (MN), die einen funktionellen Endpunkt genotoxischer DSBs darstellen, sodass trotz der γH2A.X Präsenz kein nachhaltiges mutagenes Potential der medizinischen Plasmabehandlung identifiziert werden konnte. Im Gegensatz zu Strahlen- oder Chemotherapeutika- induziertem und somit DNA-Schaden-assoziiertem γH2A.X zeigen die Daten dieser Arbeit die H2A.X Phosphorylierung weniger als Folge eines ROS-vermittelten primären DNA-Schadens, sondern vielmehr im Licht redox-sensitiver Signalwege der Apoptose, sodass künftige γH2A.X Messungen im medizinischen Bereich, insbesondere in der Plasmamedizin und Redoxbiologie einer sorgfältigen Interpretation bedürfen.
Reactive oxygen species (ROS) have been subject of increasing interest in the pathophysiology and therapy of cancers in recent years. In skin cancer, ROS are involved in UV-induced tumorigenesis and its targeted treatment via, e.g., photodynamic therapy. Another recent technology for topical ROS generation is cold physical plasma, a partially ionized gas expelling dozens of reactive species onto its treatment target. Gas plasma technology is accredited for its wound-healing abilities in Europe, and current clinical evidence suggests that it may have beneficial effects against actinic keratosis. Since the concept of hormesis dictates that low ROS levels perform signaling functions, while high ROS levels cause damage, we investigated herein the antitumor activity of gas plasma in non-melanoma skin cancer. In vitro, gas plasma exposure diminished the metabolic activity, preferentially in squamous cell carcinoma cell (SCC) lines compared to non-malignant HaCaT cells. In patient-derived basal cell carcinoma (BCC) and SCC samples treated with gas plasma ex vivo, increased apoptosis was found in both cancer types. Moreover, the immunomodulatory actions of gas plasma treatment were found affecting, e.g., the expression of CD86 and the number of regulatory T-cells. The supernatants of these ex vivo cultured tumors were quantitatively screened for cytokines, chemokines, and growth factors, identifying CCL5 and GM-CSF, molecules associated with skin cancer metastasis, to be markedly decreased. These findings suggest gas plasma treatment to be an interesting future technology for non-melanoma skin cancer topical therapy.
Cold medical gas plasmas are under pre-clinical investigation concerning their hemostatic activity and could be applied for intra-operative bleeding control in the future. The technological leap innovation was their generation at body temperature, thereby causing no thermal harm to the tissue and ensuring tissue integrity. This directly contrasts with current techniques such as electrocautery, which induces hemostasis by carbonizing the tissue using a heated electrode. However, the necrotized tissue is prone to fall, raising the risk of post-operative complications such as secondary bleedings or infection. In recent years, various studies have reported on the ability of medical gas plasmas to induce blood coagulation, including several suggestions concerning their mode of action. As non-invasive and gentle hemostatic agents, medical gas plasmas could be particularly eligible for vulnerable tissues, e.g., colorectal surgery and neurosurgery. Further, their usage could be beneficial regarding the prevention of post-operative bleedings due to the absence or sloughing of eschar. However, no clinical trials or individual healing attempts for medical gas plasmas have been reported to pave the way for clinical approvement until now, despite promising results in experimental animal models. In this light, the present mini-review aims to emphasize the potential of medical gas plasmas to serve as a hemostatic agent in clinical procedures. Providing a detailed overview of the current state of knowledge, feasible application fields are discussed, and possible obstacles are addressed.
Medical gas plasmas are of emerging interest in pre-clinical oncological research. Similar to an array of first-line chemotherapeutics and physics-based therapies already approved for clinical application, plasmas target the tumor redox state by generating a variety of highly reactive species eligible for local tumor treatments. Considering internal tumors with limited accessibility, medical gas plasmas help to enrich liquids with stable, low-dose oxidants ideal for intratumoral injection and lavage. Pre-clinical investigation of such liquids in numerous tumor entities and models in vitro and in vivo provided evidence of their clinical relevance, broadening the range of patients that could benefit from medical gas plasma therapy in the future. Likewise, the application of such liquids might be promising for recurrent BRAF(V600E) papillary thyroid carcinomas, resistant to adjuvant administration of radioiodine. From a redox biology point of view, studying redox-based approaches in thyroid carcinomas is particularly interesting, as they evolve in a highly oxidative environment requiring the capability to cope with large amounts of ROS/RNS. Knowledge on their behavior under different redox conditions is scarce. The present study aimed to clarify resistance, proliferative activity, and the oxidative stress response of human papillary thyroid cancer cells K1 after exposure to plasma-oxidized DMEM (oxDMEM). Cellular responses were also evaluated when treated with different dosages of hydrogen peroxide and the RNS donor sodium nitroprusside (SNP). Our findings outline plasma-oxidized liquids as a promising approach targeting BRAF(V600E) papillary thyroid carcinomas and extend current knowledge on the susceptibility of cells to undergo ROS/RNS-induced cell death.