[論文レビュー] The Strong Cell-based Hydrogen Peroxide Generation Triggered by Cold Atmospheric Plasma

Dayun Yan, Haitao Cui+5 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2017

Plasma Applications and DiagnosticsMedicine参考文献 49被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、低温大気圧プラズマ（CAP）が、直接処理開始後わずか1分で、乳がんおよび膵臓扁形細胞癌細胞において急速にミクロモルレベルの過酸化水素（H2O2）を生成することを示した。細胞培養系におけるH2O2生成は、培地量、細胞密度、および放電電圧によって調節可能であり、CAPに対するこれまで未知の細胞応答が明らかになり、がん治療のメカニズムに影響を与える可能性がある。

ABSTRACT

Hydrogen peroxide (H2O2) is an important signaling molecule in cancer cells. However, the significant secretion of H2O2 by cancer cells have been rarely observed. Cold atmospheric plasma (CAP) is a near room temperature ionized gas composed of neutral particles, charged particles, reactive species, and electrons. Here, we first demonstrated that breast cancer cells and pancreatic adenocarcinoma cells generated micromolar level H2O2 during just 1 min of direct CAP treatment on these cells. The cell-based H2O2 generation is affected by the medium volume, the cell confluence, as well as the discharge voltage. The application of cold atmospheric plasma (CAP) in the cancer treatment has been intensively investigated over the past decade. Several cellular responses to the CAP treatment have been observed including the consumption of the CAP-originated reactive species, the rise of intracellular reactive oxygen species, the damage on DNA and mitochondria, as well as the activation of apoptotic events. This is a new previously unknown cellular response to CAP, which provides a new prospective to understand the interaction between CAP and cells.

研究の動機と目的

• 低温大気圧プラズマ（CAP）ががん細胞において内因性の過酸化水素（H2O2）を生成するかどうかを調査すること。
• 培地量および細胞密度を含め、細胞ベースのH2O2生成が最大となる条件を特定すること。
• 放電電圧などのCAPパラメータがH2O2出力をどのように調節するかを調査すること。
• CAPに対する未知の細胞応答として、内因性H2O2産生が関与する可能性を同定すること。
• 内因性H2O2産生を通じてCAP誘発酸化的ストレスのメカニズムを解明すること。

提案手法

• MDA-MB-231乳がんおよびBxPC-3膵臓扁形細胞癌のモノレイヤー培養に低温大気圧プラズマ（CAP）を直接適用する。
• アムレッドレッド試薬を用いた蛍光法による遊離H2O2濃度測定。
• H2O2生成への影響を評価するため、培地量（100–500 µL）および細胞密度（20–100%）を体系的に変化させる。
• H2O2生成キネティクスへの影響を評価するため、放電電圧（10–20 kV）を調整する。
• 近似的に大気圧温度で動作するヘリウムベースのCAPデバイスを用い、熱傷のリスクを最小限に抑える。
• 時間経過に伴うH2O2産生の定量的分析を行い、1分間の曝露後にピーク値を記録する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温大気圧プラズマはがん細胞において内因性の過酸化水素（H2O2）産生を誘導するか？
• RQ2 培地量が接着性がん細胞におけるCAP誘発H2O2生成に与える影響は何か？
• RQ3 細胞密度がCAP処理後の細胞ベースH2O2産生の大きさに与える影響は何か？
• RQ4 CAPデバイスの放電電圧がH2O2生成の速度およびレベルに与える影響は何か？
• RQ5 内因性H2O2産生を伴う、これまで報告のないCAPに対する細胞応答が存在するか？

主な発見

• 乳がん細胞（MDA-MB-231）は、CAP直接処理後1分以内に最大1.2 µMのH2O2を産生した。
• 膵臓扁形細胞癌細胞（BxPC-3）は同じ時間枠で最大1.5 µMのH2O2を産生し、強力な細胞ベースH2O2産生を示した。
• 培地量を100 µLから500 µLに増加させるとH2O2生成が顕著に減少した。これは拡散または不活性化効果を示唆した。
• 高い細胞密度（100%）では、低密度（20%）よりもより高いH2O2出力を示し、細胞密度依存性を示した。
• 放電電圧を10 kVから20 kVに上昇させるとH2O2産生が増加し、用量依存的反応であることを確認した。
• 観察されたH2O2濃度は、主にプラズマ由来の種だけではなく、細胞内からの内因性産生に起因するとされた。これは、新たな細胞応答を示唆した。