[論文レビュー] Cold Gas Plasma Sources and the Science behind their Applications in Biology and Medicine

Mounir Laroussi|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2021

Plasma Applications and Diagnostics被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、低温大気圧プラズマ（CAP）源の基礎科学とその生物医療応用をレビューし、CAPで生成される反応性種ががん細胞に対して選択的にアポトーシスを誘導すると同時に、創傷治癒を促進し、細菌に対して殺傷効果を示す仕組みを説明している。主な貢献は、プラズマ-生物学的相互作用の包括的統合であり、低用量での反応性酸素種および反応性窒素種が細胞機能を調節する役割を強調している。

ABSTRACT

Studies on the interaction of plasma generated at atmospheric pressure and at room temperature (low temperature plasma or just cold plasma) with biological cells and tissues have revealed that cold plasma has therapeutic effects that form the basis for new medical therapies. Cold plasma exhibits bactericidal properties and at low doses can modulate cell functions, including proliferation, attachment, and migration. Research in the last two decades has shown that cold plasma can be used for wound healing and can kill cancer cells in a selective manner. This paper describes the fundamental science behind the biomedical applications of cold plasma.

研究の動機と目的

• 低温大気圧プラズマ（CAP）が生物系に及ぼす物理的および化学的メカニズムの解明を目的とする。
• 創傷ケアおよび腫瘍学分野における非加熱的で選択的かつ抗生物質に依存しない治療法の増加するニーズに対処することを目的とする。
• CAP-生物学的相互作用に関する現在の研究を統合することで、プラズマ医学分野の新興分野の科学的基盤を提供することを目的とする。
• 低用量CAPが細胞増殖、接着、移動といった主要な細胞機能をどのように調節するかを明確にすることを目的とする。

提案手法

• 大気圧および常温近辺で動作する低温プラズマ源に関する実験的および理論的研究の体系的レビュー。
• 反応性酸素種および反応性窒素種（RONS）が生物学的効果の主要な媒体である分析。
• in vitroおよびin vivoモデルを用いたプラズマ-組織およびプラズマ-細胞相互作用の検討。
• CAPの化学的組成を特徴付けるためのプラズマ診断および分光法の使用。
• 医療物理学およびプラズマ物理学の知見を統合し、選択的細胞傷害性を説明すること。
• ダイエレクトリックバリア放電やプラズマジェットなどのプラズマ源設計とそれらの生物学的結果の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温大気圧プラズマ源は、常温および大気圧下でどのように生物学的に活性な種を生成するのか？
• RQ2 細胞および組織に観察された治療効果の主な反応性種は何か？
• RQ3 なぜ低温プラズマはがん細胞に対して選択的にアポトーシスを誘導するが、正常細胞は傷つけないのか？
• RQ4 低用量プラズマ被曝が細胞増殖、接着、移動といった主要な細胞機能をどのように調節するのか？
• RQ5 低温プラズマの細菌殺傷効果および創傷治癒効果の背後にあるメカニズムは何か？

主な発見

• 反応性酸素種および反応性窒素種（RONS）の生成により、低温プラズマは微生物の膜およびDNAを損傷することで顕著な細菌殺傷効果を示す。
• 低用量の低温プラズマ被曝は線維芽細胞の増殖および移動を促進することで創傷治癒を促進し、慢性傷の治療的潜在可能性を示唆する。
• RONSを介した酸化的なストレスにより、低温プラズマはがん細胞に対して選択的にアポトーシスを誘導するが、正常細胞は高い抗酸化能により傷つけられない。
• 低温プラズマの治療的ウィンドウは狭い：高用量では細胞傷害性が生じるが、低用量では細胞機能を有益に調節する。
• ダイエレクトリックバリア放電やプラズマジェットなどのプラズマ源は、熱的損傷を伴わずに制御されたRONSを生物学的標的に効果的に届けることができる。
• 本論文は、プラズマが生成する種とその後続する細胞応答との間のメカニズム的リンクを確立し、臨床応用の基盤を形成している。