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Heat Shock Protein 27 Affects Myeloid Cell Activation and Interaction with Prostate Cancer Cells
(2022)
Heat shock proteins are cytoprotective molecules induced by environmental stresses. The small heat shock protein 27 (Hsp27) is highly expressed under oxidative stress conditions, mediating anti-oxidative effects and blocking apoptosis. Since medical gas plasma treatment subjects cancer cells to a multitude of reactive oxygen species (ROS), inducing apoptosis and immunomodulation, probable effects of Hsp27 should be investigated. To this end, we quantified the extracellular Hsp27 in two prostate cancer cell lines (LNCaP, PC-3) after gas plasma-induced oxidative stress, showing a significantly enhanced release. To investigate immunomodulatory effects, two myeloid cell lines (THP-1 and HL-60) were also exposed to Hsp27. Only negligible effects on viability, intracellular oxidative milieu, and secretion profiles of the myeloid cells were found when cultured alone. Interestingly, prostate cancer-myeloid cell co-cultures showed altered secretion profiles with a significant decrease in vascular endothelial growth factor (VEGF) release. Furthermore, the myeloid surface marker profiles were changed, indicating an enhanced differentiation in co-culture upon Hsp27 treatment. Finally, we investigated morphological changes, proliferation, and interaction with prostate cancer cells, and found significant alterations in the myeloid cells, supporting the tendency to differentiate. Collectively, our results suggest an ambiguous effect of Hsp27 on myeloid cells in the presence of prostate cancer cells which needs to be further investigated.
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.
Despite continuous advances in therapy, malignant melanoma is still among the deadliest
types of cancer. At the same time, owing to its high plasticity and immunogenicity, melanoma is
regarded as a model tumor entity when testing new treatment approaches. Cold physical plasma is a
novel anticancer tool that utilizes a plethora of reactive oxygen species (ROS) being deposited on the
target cells and tissues. To test whether plasma treatment would enhance the toxicity of an established
antitumor therapy, ionizing radiation, we combined both physical treatment modalities targeting
B16F10 murine melanoma cell in vitro. Repeated rather than single radiotherapy, in combination
with gas plasma-introduced ROS, induced apoptosis and cell cycle arrest in an additive fashion. In
tendency, gas plasma treatment sensitized the cells to subsequent radiotherapy rather than the other
way around. This was concomitant with increased levels of TNFα, IL6, and GM-CSF in supernatants.
Murine JAWS dendritic cells cultured in these supernatants showed an increased expression of cell
surface activation markers, such as MHCII and CD83. For PD-L1 and PD-L2, increased expression
was observed. Our results are the first to suggest an additive therapeutic effect of gas plasma and
radiotherapy, and translational tumor models are needed to develop this concept further.
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.
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.
Reactive species generated by medical gas plasma technology can be enriched in liquids for use in oncology targeting disseminated malignancies, such as metastatic colorectal cancer. Notwithstanding, reactive species quantities depend on the treatment mode, and we recently showed gas plasma exposure in conductive modes to be superior for cancer tissue treatment. However, evidence is lacking that such a conductive mode also equips gas plasma-treated liquids to confer augmented intraperitoneal anticancer activity. To this end, employing atmospheric pressure argon plasma jet kINPen-treated Ringer’s lactate (oxRilac) in a CT26-model of colorectal peritoneal carcinomatosis, we tested repeated intraabdominal injection of such remotely or conductively oxidized liquid for antitumor control and immunomodulation. Enhanced reactive species formation in conductive mode correlated with reduced tumor burden in vivo, emphasizing the advantage of conduction over the free mode for plasma-conditioned liquids. Interestingly, the infiltration of lymphocytes into the tumors was equally enhanced by both treatments. However, significantly lower levels of interleukin (IL)4 and IL13 and increased levels of IL2 argue for a shift in intratumoral T-helper cell subpopulations correlating with disease control. In conclusion, our data argue for using conductively over remotely prepared plasma-treated liquids for anticancer treatment.
Das fortgeschrittene, metastasierte Pankreaskarzinom stellt allen Fortschritten innerhalb der Onkologie zum Trotz weiterhin eine Diagnose mit infauster Prognose dar, deren palliative Therapiemöglichkeiten ebenfalls nicht zufriedenstellend sind. Seit einigen Jahren besteht die Hoffnung den vierten Aggregatzustand in Form von ‚nicht-thermischem Plasma' (NTP) in der modernen Tumortherapie einzusetzen. Dies beruht auf der Generierung zahlreicher reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies, die in der Balance aus Wachstum und Apoptose von Tumoren eine entscheidende Rolle einnehmen. In Zusammenschau aller im Rahmen dieser Arbeit erhobenen in vitro Ergebnisse und der hierzu einsehbaren Literatur lässt sich eine selektive, anti-tumoröse Wirkung von NTP festhalten, die sich in reduzierter Zellviabilität und -proliferation, sowie effektiver Apoptoseinduktion ohne Bildung von Nekrosen äußert. Diese Effekte werden vorrangig über im Medium gelöste reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies vermittelt, sodass auch zellfreie, NTP-behandelte Flüssigkeit diese Wirkung erzielt. In einem syngenen Mausmodell einer Peritonealkarzinose des Pankreaskarzinoms konnten die antiproliferativen und proapototischen Effekte dieser indirekten NTP-Behandlung nachgestellt werden. Die repetitive intraperitoneale Applikation resultierte in einer signifikanten Reduktion der Tumoren hinsichtlich Anzahl, Größe und Gewicht. Dabei zeigte sich eine beachtliche effektive Eindringtiefe innerhalb der Tumorläsionen. Lokale oder systemische Nebenwirkungen konnten unter der Therapie nicht beobachtet werden, insbesondere wiesen die übrigen aufgearbeiteten intraperitonealen Gewebe keine makro- oder mikroskopisch sichtbaren Veränderungen auf und auch die Blutzusammensetzung zeigte sich unverändert gegenüber der Kontrollgruppe. In dieser Arbeit wurde zudem - nach Kenntnisstand des Autors - erstmals der Einfluss einer indirekten NTP-Behandlung auf das Überleben immunkompetenter, Tumor-tragender Mäuse untersucht und hierbei ein signifikanter Überlebensvorteil demonstriert.
Die präsentierte Arbeit stellt einen wichtigen Schritt in der Entwicklung neuer Therapieoptionen des metastasierten Pankreaskarzinoms dar, als dass die selektive in vitro Wirksamkeit von NTP nun auch in vivo in einem komplexen Organismus wie der immunkompetenten Maus nachgestellt werden konnte. Künftige Arbeiten zu den NTP-Regulationsmöglichkeiten durch Flüssigkeits- und Plasmamodifikationen werden mutmaßlich das vollständige Potential dieses neuartigen Therapieansatzes offenbaren.
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.