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The loss of skin integrity is inevitable in life. Wound healing is a necessary sequence of events to reconstitute the body’s integrity against potentially harmful environmental agents and restore homeostasis. Attempts to improve cutaneous wound healing are therefore as old as humanity itself. Furthermore, nowadays, targeting defective wound healing is of utmost importance in an aging society with underlying diseases such as diabetes and vascular insufficiencies being on the rise. Because chronic wounds’ etiology and specific traits differ, there is widespread polypragmasia in targeting non-healing conditions. Reactive oxygen and nitrogen species (ROS/RNS) are an overarching theme accompanying wound healing and its biological stages. ROS are signaling agents generated by phagocytes to inactivate pathogens. Although ROS/RNS’s central role in the biology of wound healing has long been appreciated, it was only until the recent decade that these agents were explicitly used to target defective wound healing using gas plasma technology. Gas plasma is a physical state of matter and is a partially ionized gas operated at body temperature which generates a plethora of ROS/RNS simultaneously in a spatiotemporally controlled manner. Animal models of wound healing have been vital in driving the development of these wound healing-promoting technologies, and this review summarizes the current knowledge and identifies open ends derived from in vivo wound models under gas plasma therapy. While gas plasma-assisted wound healing in humans has become well established in Europe, veterinary medicine is an emerging field with great potential to improve the lives of suffering animals.
Cold physical plasma is a partially ionized gas expelling many reactive oxygen and nitrogen
species (ROS/RNS). Several plasma devices have been licensed for medical use in dermatology, and
recent experimental studies suggest their putative role in cancer treatment. In cancer therapies with
an immunological dimension, successful antigen presentation and inflammation modulation is a
key hallmark to elicit antitumor immunity. Dendritic cells (DCs) are critical for this task. However,
the inflammatory consequences of DCs following plasma exposure are unknown. To this end,
human monocyte-derived DCs (moDCs) were expanded from isolated human primary monocytes;
exposed to plasma; and their metabolic activity, surface marker expression, and cytokine profiles
were analyzed. As controls, hydrogen peroxide, hypochlorous acid, and peroxynitrite were used.
Among all types of ROS/RNS-mediated treatments, plasma exposure exerted the most notable
increase of activation markers at 24 h such as CD25, CD40, and CD83 known to be crucial for T cell
costimulation. Moreover, the treatments increased interleukin (IL)-1α, IL-6, and IL-23. Altogether,
this study suggests plasma treatment augmenting costimulatory ligand and cytokine expression in
human moDCs, which might exert beneficial effects in the tumor microenvironment.
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.
AbstractCold physical plasma is a partially ionized gas that generates various components identified as potential anticancer compounds. Due to its topical application, cold plasmas are suitable, especially in dermatological applications. We, therefore, tested the cold plasma effects in skin cancer cells in vitro. An atmospheric pressure argon plasma jet was used as the plasma source. The plasma exposure alone reduced the metabolic activity and induced lethal effects in a treatment time-dependent fashion in both cell lines investigated. This was accompanied by executioner caspases 3 and 7, cleavage indicative of apoptosis and reduced cell migration and proliferation. Recent research also indicated roles of novel indirubin derivatives with potent anticancer effects. Three candidates were tested, and reduced metabolic activity and viability in a dose-dependent manner were found. Strikingly, one compound exerted notable synergistic toxicity when combined with plasma in skin cancer cells, which may be promising for future in vivo experiments.
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.
Because of the vital role of the liquid as interface in plasma medicine, this work is focused on the elucidation of the interaction of plasmas with biologically relevant liquids. The results of this thesis are an important step in the direction of the applications to real biological liquids such as blood and wound secretion ex vivo as well as in vivo. In this thesis the following questions are investigated and answered with the special focus on the free radicals as highly reactive and, therefore, hard to detect relevant group of chemical species: What is the impact of the atmospheric-pressure argon plasma jet on biologically relevant solutions? Which species are generated due to the plasma treatment of liquids? What is an appropriate detection procedure for the qualification and quantification of the short-lived species? Does the surrounding conditions influence the formation of liquid-phase reactive species and can this influence be used to tailor a desired liquid composition? What is the influence of the plasma surroundings? What is the influence of feed gas manipulation regarding the reactive species generation? Can these impacts be used for a selected reactive species composition generation? Does the treated liquid medium affect the plasma-generated reactive species output and in what way? Which are the underlying mechanisms and origins of the plasma-caused chemical changes in the solutions? Do reactive species exist, which origin is located in the gaseous phase? What is the impact of the plasma jet radiation?
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.