[論文レビュー] Micro-sized cold atmospheric plasma source for brain and breast cancer treatment

Zhitong Chen, Li Lin+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 40被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、標的のがん治療を目的としたマイクロサイズの冷大気圧プラズマ（uCAP）源を開発し、20 mmノズル長を用いて膠芽腫および乳がん細胞の殺傷効果を向上させた。uCAPは反応性酸素・窒素種（RONS）を生成し、その量に応じて腫瘍細胞死を誘発するが、20 mmノズル長のデバイスは、反応性種の協同的供給により優れた効果を示した。

ABSTRACT

Micro-sized cold atmospheric plasma (uCAP) has been developed to expand the applications of CAP in cancer therapy. In this paper, uCAP devices with different nozzle lengths were applied to investigate effects on both brain (glioblastoma U87) and breast (MDA-MB-231) cancer cells. Various diagnostic techniques were employed to evaluate the parameters of uCAP devices with different lengths such as potential distribution, electron density, and optical emission spectroscopy. The generation of short- and long-lived species (such as hydroxyl radical (.OH), superoxide (O2-), hydrogen peroxide (H2O2), nitrite (NO2-), et al) were studied. These data revealed that uCAP treatment with a 20 mm length tube has a stronger effect than that of the 60 mm tube due to the synergetic effects of reactive species and free radicals. Reactive species generated by uCAP enhanced tumor cell death in a dose-dependent fashion and was not specific with regards to tumor cell type.

研究の動機と目的

• 小型化された冷大気圧プラズマ（uCAP）源を開発し、がん治療を精密に行うことを目的とする。
• ノズル長の違いがプラズマパラメータおよびがん細胞の生存率に与える影響を評価すること。
• 反応性酸素・窒素種（RONS）がuCAP誘発腫瘍細胞死に果たす役割を調査すること。
• 膠芽腫（U87）および乳がん（MDA-MB-231）細胞株に対するuCAPの効果を比較すること。
• がん治療における治療効果を向上させるためにuCAPの設計を最適化すること。

提案手法

• ノズル長（20 mmおよび60 mm）を異なるuCAPデバイスの設計および製造。
• プラズマプラウム内の電位分布および電子密度を測定するための電気的診断手法の使用。
• OH、O2-、H2O2、NO2- などの反応性種の同定および定量に、光放射スペクトロスコピーを活用。
• U87膠芽腫およびMDA-MB-231乳がん細胞をuCAPに暴露し、in vitroでの細胞傷害性を評価。
• 反応性種濃度と細胞死率との相関関係を定量的分析。
• 細胞生存率とプラズマ露出時間との関係を評価するための用量依存的処理実験。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロサイズの冷大気圧プラズマ（uCAP）源におけるノズル長が、反応性種の生成およびがん細胞への供給にどのように影響を与えるか？
• RQ2 U87膠芽腫およびMDA-MB-231乳がん細胞株に対するuCAPの相対的な細胞傷害効果は何か？
• RQ3 OH、H2O2、O2-、NO2- などの反応性種のうち、腫瘍細胞死に最も顕著に寄与しているのはどれか？
• RQ4 uCAPのがん細胞に対する抗腫瘍効果は、プラズマ露出量に依存しており、デバイスの形状によってその関係性はどのように変化するか？
• RQ5 短寿命および長寿命の反応性種の協同的相互作用が、uCAP誘発細胞死に果たす役割は何か？

主な発見

• 20 mm uCAPノズルは、U87膠芽腫およびMDA-MB-231乳がん細胞の両方に対して、60 mmノズルよりも顕著な抗がん効果を示した。
• プラズマプラウム内でヒドロキシルラジカル（.OH）、スーパーオキサイド（O2-）、過酸化水素（H2O2）、および亜硝酸イオン（NO2-）などの反応性種が検出され、定量された。
• 20 mm uCAPでは、短寿命および長寿命の反応性種の生成が増強され、これが優れた効果に寄与した。
• uCAP露出時間の延長に伴い、腫瘍細胞死が用量依存的に増加した。
• 抗がん効果は腫瘍細胞の種類に特異的ではなく、さまざまながん細胞株への応用が可能であることを示唆した。
• 複数の反応性種の協同的作用が、20 mm uCAPデバイスの増強された細胞傷害性の主要因であると特定された。