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Cold physical plasmas, especially noble gas driven plasma jets, emit considerable amounts of ultraviolet radiation (UV). Given that a noble gas channel is present, even the energetic vacuum UV can reach the treated target. The relevance of UV radiation for antimicrobial effects is generally accepted. It remains to be clarified if this radiation is relevant for other biomedical application of plasmas, e.g., in wound care or cancer remediation. In this work, the role of (vacuum) ultraviolet radiation generated by the argon plasma jet kINPen for cysteine modifications was investigated in aqueous solutions and porcine skin. To differentiate the effects of photons of different wavelength and complete plasma discharge, a micro chamber equipped with a MgF2, Suprasil, or Borosilicate glass window was used. In liquid phase, plasma-derived VUV radiation was effective and led to the formation of cysteine oxidation products and molecule breakdown products, yielding sulfite, sulfate, and hydrogen sulfide. At the boundary layer, the impact of VUV photons led to water molecule photolysis and formation of hydroxyl radicals and hydrogen peroxide. In addition, photolytic cleavage of the weak carbon-sulfur bond initiated the formation of sulfur oxy ions. In the intact skin model, protein thiol modification was rare even if a VUV transparent MgF2 window was used. Presumably, the plasma-derived VUV radiation played a limited role since reactions at the boundary layer are less frequent and the dense biomolecules layers block it effectively, inhibiting significant penetration. This result further emphasizes the safety of physical plasmas in biomedical applications.
Reduction and oxidation reactions are essential for biochemical processes. They are part of metabolic pathways and signal transduction. Reactive oxygen species (ROS) as second messengers and oxidative modifications of cysteinyl (Cys) residues are key to transduce and translate intracellular and intercellular signals. Dysregulation of cellular redox signaling is known as oxidative distress, which has been linked to various pathologies, including neurodegeneration. Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative pathology linked to both, abnormal amyloid precursor protein (APP) processing, generating Aβ peptide, and Tau hyperphosphorylation and aggregation. Signs of oxidative distress in AD include: increase of ROS (H2O2, O2•−), decrease of the levels or activities of antioxidant enzymes, abnormal oxidation of macromolecules related to elevated Aβ production, and changes in mitochondrial homeostasis linked to Tau phosphorylation. Interestingly, Cys residues present in APP form disulfide bonds that are important for intermolecular interactions and might be involved in the aggregation of Aβ. Moreover, two Cys residues in some Tau isoforms have been shown to be essential for Tau stabilization and its interaction with microtubules. Future research will show the complexities of Tau, its interactome, and the role that Cys residues play in the progression of AD. The specific modification of cysteinyl residues in redox signaling is also tightly connected to the regulation of various metabolic pathways. Many of these pathways have been found to be altered in AD, even at very early stages. In order to analyze the complex changes and underlying mechanisms, several AD models have been developed, including animal models, 2D and 3D cell culture, and ex-vivo studies of patient samples. The use of these models along with innovative, new redox analysis techniques are key to further understand the importance of the redox component in Alzheimer's disease and the identification of new therapeutic targets in the future.
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.