[論文レビュー] In vitro Demonstration of Cancer Inhibiting Properties from Stratified Self-Organized Micro-Discharge Plasma-Liquid Interface

Zhitong Chen, Shiqiang Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2017

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 33被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、層状の自己組織的マイクロ放電プラズマ-液体界面が、がんを抑制する濃度の特異な反応性酸素種および窒素種（ROS/RNS）を生成することを示した。この界面で処理された液体培地は、MDA-MB-231およびU87膠芽腫細胞において顕著なアポトーシスを誘発し、増殖を抑制するが、その効果は、非層状な放電では達成できない特異なROS/RNS比を実現できる、マイクロメータースケールの細い繊維状プラズマ構造に依存している。

ABSTRACT

Experiments have revealed a nontrivial cancer-inhibiting capability of liquid media treated by the plasma jet capable of forming thinly stratified self-organized patterns at a plasma-liquid interface. A pronounced cancer depressing activity towards at least two kinds of human cancer cells, namely breast cancer MDA-MB-231 and human glioblastoma U87 cancer lines, was demonstrated. After a short treatment at the thinly stratified self-organized plasma-liquid interface pattern, the cancer inhibiting media demonstrate well pronounced depression and apoptosis activities towards tumor cells, not achievable without interfacial stratification of plasma jet to thin (of several um) current filaments, which therefore play a pivotal (yet still not completely clear) role in building up the cancer inhibition properties. Moreover, thinly stratified, self-organized interfacial discharge is capable to efficiently control the ROS and RNS concentrations in the cancer-inhibiting media, and in particular, abnormal ROS/RNS ratios not achievable in discharges which do not form stratified thin-filament patterns could be obtained. These results were explained in terms of interaction of thin plasma filaments of the self-organized pattern with gas and liquid, where the unusual interaction conditions (i.e., high surface-to-volume ratios etc.) cause accumulation of ROS, RNS and other species in unusual ratios and concentrations, thus forming potentially efficient anti-cancer cocktail. Our funding could be extremely important for handling the cancer proliferation problem, and hence, it should be brought to light to attract due attention of the researchers and explore the possible potential of this approach in tackling the challenging problem of high cancer-induced mortality and rising morbidity trends.

研究の動機と目的

• 層状の自己組織的マイクロ放電を用いて生成されたプラズマ-液体界面で処理された液体培地の抗がん効果を調査すること。
• 細い繊維状プラズマ構造ががん細胞の抑制を強化する役割を特定すること。
• 抗がん活性と関連するROSおよびRNS濃度を定量的・特徴的に評価すること。
• 界面の層状化が、従来の放電では達成できない特異な反応種比を生じるメカニズムを解明すること。
• 処理された培地がヒトのがん細胞線においてアポトーシスを誘発し、増殖を抑制する効果を評価すること。

提案手法

• ガス-液体界面に、薄く層状で自己組織的なマイクロ放電パターンを形成するためのプラズマジェットを操作した。
• プラズマ-液体界面を設計し、サブマイクロメーターから数マイクロメーターの幅を有するマイクロ放電を生成した。
• 液体培地を短時間、プラズマ-液体界面に暴露させ、反応種（ROS/RNS）を生成した。
• 処理された培地中のROSおよびRNSの濃度と比を、化学的プローブおよび分光法を用いて測定した。
• ヒトの乳がん（MDA-MB-231）および膠芽腫（U87）細胞線を処理された培地に暴露し、細胞傷害性およびアポトーシスを評価した。
• 標準的アッセイ（例：MTT、フローサイトメトリー）を用いて、細胞生存率およびアポトーシスを定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 層状の自己組織的マイクロ放電プラズマ-液体界面は、がんを抑制する性質を強化した液体培地を生成できるか？
• RQ2 細い繊維状プラズマ構造は、液体中のROSおよびRNS濃度をどのように調整するか？
• RQ3 界面の層状化下で形成された特異なROS/RNS比は、がん細胞のアポトーシスおよび増殖抑制を高める関連があるか？
• RQ4 抗がん効果は、界面におけるプラズマ放電の構造的組織化に依存しているか？
• RQ5 このアプローチは、直接的なプラズマ暴露を必要とせずにがん細胞を選択的に抑制できるか？

主な発見

• 層状の自己組織的マイクロ放電界面で処理されたプラズマ培地は、MDA-MB-231およびU87膠芽腫細胞において顕著なアポトーシスを誘発した。
• がんを抑制する効果は、プラズマ-液体界面に形成された細い（数マイクロメーター）電流フィラメントに強く依存しており、非層状な放電では効果が観察されなかった。
• 処理された培地中では、従来のプラズマ放電では再現できない特異なROS/RNS比が達成された。
• プラズマ-液体界面への短時間の暴露後でも、処理された培地はがん細胞の増殖を効果的に抑制した。
• 抗がん活性は、自己組織的繊維状構造が生み出す高比表面積・体積比の条件における反応種の蓄積に起因するとされた。
• 結果から、界面の層状化が、非毒性で強力な抗がん作用を有する液体培地中の混合物を形成可能であると示唆された。