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Kaltes Atmosphärendruckplasma (CAP) hat in der Therapie an Bedeutung gewonnen und wird zurzeit in verschiedenen Bereichen der Medizin eingesetzt. CAP hat antiproliferative, antimikrobielle und zellstimulierende Wirkungen. Eine therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeit vom CAP ist die Behandlung maligner Tumoren. Weiterhin wird CAP klinisch in der Behandlung chronischer Wundheilungsstörungen der Haut eingesetzt.
In dieser Arbeit wurde die antiproliferative Wirkung von CAP auf zwei Haut-assoziierte Zelllinien (HaCaT und B16) untersucht. Anhand der CAP-Exposition und der Analyse der Wachstumskinetiken konnten wir bestätigen, dass die antiproliferative Wirkung von CAP von der Behandlungszeit abhängt. Ferner bestätigten die Ergebnisse, dass die antiproliferative Wirkung in der malignen Zelllinie B16 stärker ausgeprägt ist.
Weiterhin wurde die genotoxische Wirkung von CAP in einem 3D-Epidermismodell, dem epiCS® untersucht. Das Epidermismodell wurde 30s, 60s und 120s mit CAP behandelt (Plasmagerät kINPen MED). Zum Nachweis von DNA- Doppelstrangbrüchen und Apoptose wurden γ-H2AX und Caspase-3 herangezogen. Die fluoreszenzmikroskopische Analyse der Epidermis zeigte keinen höheren Anteil an γ-H2AX oder Capspase-3 positiven Zellen durch die CAP-Exposition. Lediglich waren γ-H2AX und Caspase-3 in beiden Behandlungsgruppen (Argon/CAP) nachweisbar. Ein direkter Zusammenhang zur CAP-Behandlung bzw. zur Behandlungszeit wurde jedoch nicht nachgewiesen.
Insgesamt kann man feststellen, dass die CAP-Exposition nicht zur vermehrten Apoptose in gesunden Epidermiszellen führt. Außerdem kann die CAP-Exposition gesunder Epidermis Zellen bis 120s ohne genotoxische oder zellschädigende Wirkung erfolgen.
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.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte die Reaktion primärer dermaler Fibroblasten, die für die Versuche aus SKH1-Mäusen isoliert wurden, auf eine Kaltplasma-Behandlung mittels des Argon-betriebenen Plasmajets „kINPen MED“ hinsichtlich ihrer Reaktion auf oxidativen Stress, ihrer interzellulären Kommunikation über Gap Junctions (GJ) und der Organisation ihres Aktin-Zytoskeletts untersucht werden. Die Plasmabehandlung erfolgte dabei stets indirekt, also durch die Behandlung von Zellkulturmedium, in dem die Zellen anschließend inkubiert wurden. Es ergab sich für die angewendeten Versuchsmodalitäten keine signifikante Induktion von Apoptose durch die indirekte Plasmabehandlung von 20 s bis 180 s, wohingegen die metabolische Aktivität der Zellen bei längeren Behandlungszeiten bis 72 h nach der Plasmabehandlung signifikant reduziert wurde. Dies zeigt die von der Behandlungszeit abhängige Beanspruchung der Fibroblasten durch die Plasmabehandlung und gleichzeitig ihre Kompensationsfähigkeit, die die Zellen auch bei 180 s Behandlungszeit vor dem vermehrten Auftreten von Apoptose schützen konnte.
Nach einer Plasmabehandlung konnte die Aktivierung des Nrf2-Signalwegs nachgewiesen werden, der als zellulärer Schutzmechanismus gegen oxidativen Stress fungiert. So wurde sowohl in den Fibroblasten als auch im Primärgewebe eine Translozierung des Nrf2 in den Zellkern gezeigt. Hierbei wurde auch die Aktivierung des Redox-Sensors Keap1 nachgewiesen, der unter physiologischen Bedingungen Nrf2 bindet und dessen Abbau im Proteasom vermittelt.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung der Zell-Zell-Kommunikation, die vor allem über funktionale GJ-Kanäle erfolgt. Dabei wurde in einem SLDT Assay die Zunahme funktionaler GJ-Kanäle in plasmabehandelten Fibroblasten festgestellt. Außerdem ergab sich eine Tendenz zum Anstieg der Gen- und Proteinexpression von Connexin 43, was unter physiologischen Bedingungen in dermalen Fibroblasten während der Frühphase der Wundheilung beschrieben wurde.
Die Plasmabehandlungen induzierten außerdem strukturelle Veränderungen am Aktin-Zytoskelett in den dermalen Fibroblasten. Solche dynamischen Veränderungen des Zytoskeletts sind während der Wundheilung ebenfalls von entscheidender Bedeutung, da sie die interzelluläre Adhäsion und damit die Migration von Fibroblasten ermöglichen.
Die hier beobachteten Veränderungen zeigten sich vor allem bei kürzeren Behandlungs- und Inkubationszeiten, während gleichzeitig keine signifikante Zunahme apoptotischer Zellen festgestellt wurde. Dies legt nahe, dass durch kurze Plasmabehandlungszeiten in primären Fibroblasten ein Hormesis-Effekt induziert wird, also dass die zeitlich begrenzte Aktivierung zellulärer Schutzmechanismen als Reaktion auf den Stress einer Plasmabehandlung (Radikalbildung, UV-Strahlung) günstige, die Wundheilung fördernde Effekte bewirkt.
Die initiale Integration von Implantaten ist von hoher Bedeutung für die spätere Stabilität und
Standzeit von beispielsweise Endoprothesen im Körper. Mit Hinblick auf die steigende Zahl
von Patienten, die ein Implantat benötigen, ist es von großer Bedeutung unterschiedliche
Implantatmaterialien und Oberflächenmodifizierungen bezüglich ihrer Eigenschaften und
Interaktionen mit dem Implantatlager zu untersuchen, um diese verbessern zu können.
Ziel der vorgestellten Arbeit war die Entwicklung und Etablierung eines Screeningmodells zur
Analyse der Auswirkung von verschiedenen Metallimplantaten auf die Mikrozirkulation in
unmittelbarer Nähe des Implantats.
Dazu wurde ein neues in vivo Modell an der Chorioallantoismembran des Hühnerembryos
entwickelt, angewendet und etabliert. Dieses stellt eine Modifikation des seit Jahrzehnten
etablierten HET-CAM (Hühnereitest an der Chorioallantoismembran) dar und ermöglicht
quantitative und qualitative intravitalmikroskopische Aussagen über die Funktionelle
Gefäßdichte (FGD) und die Leukozyten-Endothel-Interaktion (LEI).
Zunächst wurden im Zuge der Modellanwendung Nickel- und Titan-Implantate verglichen, um
die mögliche Reaktionsbreite des Modells zu untersuchen. Es folgte eine Etablierung des
Modells, indem die Oberfläche der Implantate kurz vor der Applikation mit kaltem
Atmosphärendruckplasma (CAP) behandelt wurde. Die intravitalmikroskopische
Untersuchung erfolgte jeweils 24 h nach Applikation.
Die Chorioallantoismembran der mit Nickel-Implantaten behandelten Hühnerembryonen
zeigte im Vergleich zur Titan- und der internen Kontrollgruppe eine signifikante Reduktion der
FGD sowie eine signifikante Erhöhung der LEI gegenüber der Kontrollgruppe. Durch
Vorbehandlung der Nickel-Implantate mit CAP konnte der Negativeffekt auf das Gefäßsystem
signifikant reduziert werden. Für Titanimplantate konnte mit Hinblick auf die FGD kein
zusätzlicher Effekt nach der Behandlung mit CAP detektiert werden.
Die vorgestellte Arbeit zeigt, dass sich das neue Modell als Screeningmodell dazu eignet, neue
Implantatmaterialien und Oberflächenmodifikationen an der Schwelle zwischen in vitro
Zellkultur und in vivo Tiermodellen zu untersuchen. Somit könnte es dabei helfen,
Tierversuche gezielter einzusetzen. Vorteile und Einschränkungen des Modells werden
diskutiert.
: Human osteosarcoma (OS) is the most common primary malignant bone tumor occurring
most commonly in adolescents and young adults. Major improvements in disease-free survival have
been achieved by implementing a combination therapy consisting of radical surgical resection of the
tumor and systemic multi-agent chemotherapy. However, long-term survival remains poor, so novel
targeted therapies to improve outcomes for patients with osteosarcoma remains an area of active
research. This includes immunotherapy, photodynamic therapy, or treatment with nanoparticles.
Cold atmospheric plasma (CAP), a highly reactive (partially) ionized physical state, has been shown
to inherit a significant anticancer capacity, leading to a new field in medicine called “plasma oncology.”
The current article summarizes the potential of CAP in the treatment of human OS and reviews the
underlying molecular mode of action.
Untersuchung zur Wirkung von kaltem Atmosphärendruckplasma über die Oxidation von Thiolgruppen
(2022)
Redox signaling-Prozesse innerhalb und zwischen Zellen spielen eine Rolle in
verschiedenen physiologischen und pathologischen Prozessen, wobei zelluläre
Thiolgruppen als wichtige Signalübermittler identifiziert wurden. Durch Behandlung der
Aminosäure Cystein mit kaltem Atmosphärendruckplasma werden solche
Thiolgruppen oxidiert und verschiedene Verbindungen erzeugt. Diese Arbeit sollte
klären, ob so die Erzeugung von stabilen reaktiven Spezies möglich ist, die einen
biologischen Effekt haben. Dazu wurden Pufferlösungen, die Cystein enthielten, mit
einem Argon-Plasmajet (kINPen 09) mit Sauerstoffzumischung behandelt und auf
kultivierte menschliche Keratinozyten der HaCaT-Zellinie übertragen. Zellproliferation,
Migrationsaktivität, Metabolismus, Viabilität und intrazellulärer Redoxzustand wurden
untersucht.
Plasmabehandelte Flüssigkeiten mit Cysteinkonzentrationen von 2 mmol/l zeigten
keinen Einfluss auf das Zellverhalten im Vergleich zu behandeltem Puffer ohne
Cystein. Erhöhte Cysteinkonzentrationen von 100 mmol/l verringerten bei langen
Plasmabehandlungszeiten von 5 min beziehungsweise 10 min die Proliferation,
Migration, Laktatsekretion und Viabilität. Für kürzere Behandlungszeiten von 1 min und
2,5 min wurden Hinweise auf eine erhöhte metabolische Aktivität gefunden. GSSGSpiegel
in den Zellen wurden stabilisiert und intrazelluläre ROS reduziert. Diese
Effekte könnten auf generierte bioaktive Substanzen wie oxidierte Disulfide
zurückzuführen sein, die längerfristig zu Energiemangel führen. Ein möglicher
Vermittler ist Cystein-S-sulfonat, welches als NMDA-Rezeptoragonist bekannt ist.
Zudem könnte auch die Aktivierung des XC-Antiporters mit Folgen für den
intrazellulären Redoxzustand zu den kurzfristigen Effekten beigetragen haben.
Durch plasmabehandelte Cysteinlösung konnten biologische Effekte, teilweise im
Sinne einer Hormesis, nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigten eine
zytotoxische Wirkung nach langer Plasmabehandlung der Cysteinlösung, während für
kürzere Zeiten auch aktivierende Effekte deutlich wurden. Somit scheint die gezielte
Erzeugung stabiler reaktiver Spezies als neuer Ansatzpunkt der Plasmaanwendung
möglich.
Zusammenfassung
Kaltes atmosphärisches Plasma (CAP) ist eine mögliche neue Therapieoption für das hochaggressive Glioblastoma multiforme. Bisher konnte die Wirksamkeit der Behandlung von Glioblastomzellen mit CAP sowohl in vitro, als auch in vivo bestätigt und reaktive Sauerstoffspezies (ROS) als ein wichtiger Mediator der CAP-Wirkung identifiziert werden. Sowohl die zytotoxische Wirkung von CAP auf Glioblastomzellen, als auch eine positive Korrelation der Behandlungsdauer mit der Stärke der CAP-Wirkung konnten wir bestätigen. Mit dem Ziel einer molekularen Charakterisierung der zugrundeliegenden Vorgänge innerhalb der Zellen untersuchten wir die Veränderung des Expressions- und Aktivierungsmusters relevanter Proteine zentraler Wachstums- und Apoptosewege, sowie der microRNA-1 in den humanen Glioblastomzelllinien U87-MG und LN-18 unter Behandlung mit CAP.
Die Kinase ERK1/2, der Zellzyklusregulator p21 und das Hitzeschockprotein Hsp90 sind zentrale Effektoren der Tumorprogression. Obgleich die CAP-Behandlung leichte Änderungen der Expressionsraten dieser Proteine zeigte, kann ohne weitere Untersuchungen nicht von der Beteiligung dieser Faktoren ausgegangen werden. Ein Einfluss auf die Zellproliferation ist jedoch denkbar.
Im Falle der proliferativen Kinase AKT1 konnte eine Induktion in beiden untersuchten Glioblastomzellinien nachgewiesen werden. Diese könnte möglicherweise eine zytoprotektive Antwort auf den CAP-vermittelten Redox-Stress darstellen und wäre demnach als eine Resistenz gegenüber der CAP-Behandlung anzusehen. Im Gegensatz dazu stellt die Induktion der tumorsuppressiven MikroRNA miR-1, im Einklang mit in der Literatur beschriebener Inhibition des Zellwachstums bei Induktion, einen Wirkmechanismus des CAP dar.
Insgesamt kommt es in den Glioblastomzellen nach der Behandlung mit CAP zu einer Veränderung verschiedener Signalkaskaden. Insbesondere die vermutlich protektive Wirkung der Kinase AKT1, sowie die wirkungs-verstärkenden Effekte von miR-1 könnten eine entscheidende Rolle bei der Wirkung von CAP auf Glioblastomzellen darstellen. Weiterführende Untersuchungen insbesondere dieser Mediatoren und deren Interaktionen könnten zu einem tieferen Verständnis der Wirkungsweise von CAP auf die Zelle beitragen und die Entwicklung dieser neuen und innovativen Behandlungsmethode vorantreiben.
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.
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.
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.