[논문 리뷰] In vitro Demonstration of Cancer Inhibiting Properties from Stratified Self-Organized Micro-Discharge Plasma-Liquid Interface

Zhitong Chen, Shiqiang Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 06.

Plasma Applications and Diagnostics참고 문헌 33인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 층상으로 정렬된 자가조직화된 마이크로 방전 플라즈마-액체 인터페이스가 고유한 농도로 반응성 산소 및 질소 종(ROS/RNS)을 생성하며, 이는 암세포 억제에 기여한다. 이 인터페이스에서 액체 매체를 처리하면 MDA-MB-231 및 U87 뇌신생물세포에서 현저한 프로그램된 세포사멸(apoptosis)과 세포 성장 억제가 유도되며, 이는 밀도가 낮고 미세한(마이크로미터 크기) 섬유형 플라즈마 구조가 존재할 경우에만 가능하며, 비층상 방전에서는 달성할 수 없는 이례적인 ROS/RNS 비율을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 층상으로 정렬된 자가조직화된 마이크로방전을 통해 생성된 플라즈마 처리 액체 매체의 항암 잠재력을 조사하기 위해
• 미세한 섬유형 플라즈마 구조가 암세포 억제에 기여하는 역할을 규명하기 위해
• 항암 활성과 관련된 플라즈마 처리 매체 내 ROS 및 RNS 농도를 정량화하고 특성화하기 위해
• 계면의 층상 구조가 전통적인 방전에서는 달성할 수 없는 고유한 반응성 종 비율을 어떻게 유도하는지 메커니즘을 탐색하기 위해
• 이러한 처리된 매체가 인간 암세포주에서 프로그램된 세포사멸을 유도하고 세포 증식을 억제하는 데 얼마나 효과적인지 평가하기 위해

제안 방법

• 가스-액체 인터페이스에서 얇고 층상으로 정렬된 자가조직화된 마이크로방전 패턴을 형성하기 위해 플라즈마 제트를 작동시켰다.
• 플라즈마-액체 인터페이스를 설계하여 마이크로미터 이하에서 수 마이크로미터의 필라멘터리 폭을 가진 마이크로방전을 생성하도록 하였다.
• 반응성 종(ROS/RNS)을 생성하기 위해 액체 매체를 짧은 시간 동안 플라즈마-액체 인터페이스에 노출시켰다.
• 처리된 매체 내 ROS 및 RNS의 농도와 비율을 화학적 프로브 및 스펙트로스코픽 기법을 사용하여 측정하였다.
• 인간 유방암세포주(MDA-MB-231) 및 뇌신생물세포주(U87)를 처리된 매체에 노출시켜 세포독성 및 프로그램된 세포사멸을 평가하였다.
• 표준 생화학적 분석법(예: MTT, 유세포 분석)을 사용하여 세포 생존율과 프로그램된 세포사멸을 정량화하여 항암 효과를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 층상으로 정렬된 자가조직화된 마이크로방전 플라즈마-액체 인터페이스는 암세포 억제 효과를 향상시킨 액체 매체를 생성할 수 있는가?
• RQ2 미세한 섬유형 플라즈마 구조는 액체 내 ROS 및 RNS 농도 조절에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 계면의 층상 구조에 의해 형성된 고유한 ROS/RNS 비율은 암세포의 프로그램된 세포사멸 증가 및 세포 성장 억제와 관련이 있는가?
• RQ4 항암 효과는 플라즈마 방전의 표면 구조적 정렬에 의존하는가?
• RQ5 이 접근법은 직접적인 플라즈마 노출 없이도 암세포의 선택적 억제를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 층상으로 정렬된 자가조직화된 마이크로방전 인터페이스에서 생성된 플라즈마 처리 매체는 MDA-MB-231 및 U87 뇌신생물세포에서 현저한 프로그램된 세포사멸을 유도하였다.
• 암세포 억제 효과는 플라즈마-액체 인터페이스에서 밀도가 낮고 몇 마이크로미터 정도의 두께를 가진 전류 필라멘터리 구조의 형성에 강하게 의존하였으며, 비층상 방전에서는 효과가 관찰되지 않았다.
• 처리된 매체에서는 기존의 플라즈마 방전에서는 재현할 수 없었던 이례적인 ROS/RNS 비율이 달성되었다.
• 단지 짧은 시간 동안 플라즈마-액체 인터페이스에 노출된 후에도 처리된 매체는 암세포의 증식 억제를 효과적으로 유도하였다.
• 항암 활성은 자가조직화된 필라멘터리 구조에 의해 생성된 고표면적 대 체적 비율 조건에서 반응성 종의 축적 때문으로 기인되었다.
• 결과적으로 계면의 층상 구조는 액체 매체 내에서 강력하고 비독성인 항암 혼합물의 형성을 가능하게 한다는 것이 제안된다.