[論文レビュー] Plasma Medicine and Osmosis

Mikhail N. Shneider, Mikhail Pekker|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2017

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、弱い電離プラズマジェットが誘発する浸透圧の変化が、プラズマ医学における細胞膜の力学に顕著に影響することを提唱している。塩化ナトリウム溶液のイオン・分子組成を変化させることで、プラズマ露出は浸透勾配を変化させ、膜の伸張または圧縮を引き起こす。これは、膜の完全性や機械的性質が変化することに基づく、選択的なプラズマ誘発細胞効果のメカニスティックな説明を提供する。

ABSTRACT

In this paper, attention is drawn to the importance of accounting for osmotic pressure when analyzing physiological effects on cellular structures in plasma medicine. Interaction of a weakly ionized plasma jet with a saline solution leads to a detectable changes in the saline's ion-molecular composition and hence changes in the osmotic pressure. This, in turn, leads to a stretching or compression of the membrane, depending on the difference of total external and internal pressures. The selective effect of plasma on cells, observed in experiments, is associated with the change in the mechanical properties of membranes (and thereby, a weakening of their protective properties). Corresponding estimates are given in the article.

研究の動機と目的

• 浸透圧が細胞構造に及ぼすプラズマ誘発効果を媒介する役割を調査すること。
• 弱い電離プラズマジェットが塩化ナトリウム溶液のイオン・分子組成をどのように変化させるかを分析すること。
• 浸透圧の変化を細胞膜の機械的変形（伸張または圧縮）に関連付けること。
• 膜の機械的性質の変化を通じて、細胞に対するプラズマの選択的作用を説明すること。
• プラズマ医学への応用に関連する浸透圧および機械的効果の定量的推定を提供すること。

提案手法

• 弱い電離プラズマジェットと塩化ナトリウム溶液の相互作用をモデル化し、イオン・分子組成の変化を評価すること。
• プラズマ露出後の溶質濃度の変化に基づき、浸透圧の変化を計算すること。
• 細胞外と細胞内の環境間の浸透圧差を適用し、膜の変形を予測すること。
• 機械的平衡の原則を用いて、浸透圧ストレス下での膜の伸張または圧縮の有無を特定すること。
• 浸透圧の変化の大きさと、それによる細胞膜への機械的応力の大きさを推定すること。
• 実験的に観察されたプラズマ治療における選択性を、浸透圧に起因する膜の機械的応答の差異に結びつけること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマ露出は、プラズマ医学で用いられる塩化ナトリウム溶液のイオン・分子組成をどのように変化させるか？
• RQ2 プラズマ誘発の溶質濃度変化が、生体環境における浸透圧にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 その結果生じる浸透圧差は、細胞膜の機械的状態（例：伸張または圧縮）にどのように影響するか？
• RQ4 浸透圧力が、プラズマ医学における細胞の選択的標的化に果たす貢献は何か？
• RQ5 膜の機械的性質の変化は、プラズマ処理細胞における観察された実験的結果とどのように相関するか？

主な発見

• プラズマジェット露出は、塩化ナトリウム溶液のイオン・分子組成に測定可能な変化を引き起こし、浸透圧が変化することを示している。
• 細胞外と細胞内の環境間の浸透圧差が、細胞膜の機械的変形を駆動している。
• 外部の浸透圧が内部より低い場合、膜は伸張し、逆に高い場合、圧縮を受ける。
• 浸透圧ストレスによる膜の機械的弱体化は、特定の細胞型に対する選択的プラズマ作用の妥当なメカニズムを提供する。
• 定量的推定によると、プラズマ誘発浸透圧変化は膜の力学的性質を顕著に変化させうる。
• 本モデルは、浸透圧に起因する膜への機械的応力によって、プラズマ医学における実験的観察された選択的細胞効果を説明できる。