[논문 리뷰] Micro-sized cold atmospheric plasma source for brain and breast cancer treatment

Zhitong Chen, Li Lin외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 18.

Plasma Applications and Diagnostics참고 문헌 40인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 뇌종양 및 유방암 세포를 대상으로 하는 정밀한 암 치료를 위한 마이크로 크기의 냉각 대기 플라즈마(uCAP) 소스를 개발한다. 20 mm 노즐 길이를 사용할 경우 간질세포 및 유방암 세포를 더 효과적으로 사멸시킴을 입증하였다. uCAP는 반응성 산소 및 질소 종을 생성하여 농도에 따라 종양 세포 사멸을 유도하며, 20 mm 장치는 상호보완적인 반응성 종의 전달로 인해 뛰어난 효과를 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정밀한 암 치료를 위한 미니어처화된 냉각 대기 플라즈마(uCAP) 소스 개발.
• 노즐 길이의 변화가 플라즈마 특성 및 암 세포 생존율에 미치는 영향 평가.
• 반응성 산소 및 질소 종(RONS)이 uCAP 유도 종양 세포 사멸에 미치는 역할 조사.
• 간질세포(U87) 및 유방암 세포(MDA-MB-231) 줄기세포에 대한 uCAP의 효능 비교.
• 암 치료에서 향상된 치료 결과를 얻기 위한 uCAP 설계 최적화.

제안 방법

• 다른 노즐 길이(20 mm 및 60 mm)를 가진 uCAP 장치의 설계 및 제작.
• 플라즈마 플룸 내 전위 분포 및 전자 밀도 측정을 위한 전기적 진단 사용.
• OH, O2-, H2O2 및 NO2-와 같은 반응성 종의 식별 및 정량을 위한 광학 방출 스펙트로스코피 활용.
• in vitro 세포 독성 평가를 위해 U87 간질세포 및 MDA-MB-231 유방암 세포에 uCAP 노출.
• 반응성 종 농도의 정량적 분석 및 세포 사멸률과의 상관관계 평가.
• 플라즈마 노출 시간에 따른 농도 의존성 실험을 통한 치료 효과 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로 크기의 냉각 대기 플라즈마(uCAP) 소스에서 노즐 길이가 반응성 종 생성 및 암 세포에 대한 전달에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 uCAP의 간질세포(U87) 및 유방암 세포(MDA-MB-231) 줄기세포에 대한 상대적 세포독성 효과는 어떠한가?
• RQ3 uCAP에 의해 가장 크게 생성되어 종양 세포 사멸에 기여하는 반응성 종(예: .OH, H2O2, O2-, NO2-)은 무엇인가?
• RQ4 uCAP의 항암 효과는 플라즈마 노출 농도에 의존하는가? 이는 기구 형상에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 단기 및 장기 수명 반응성 종 간의 상호작용이 uCAP 유도 세포 사멸에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 20 mm uCAP 노즐은 60 mm 노즐보다 U87 간질세포 및 MDA-MB-231 유방암 세포에 더 강력한 항암 효과를 나타냈다.
• 플라즈마 플룸에서 수소산화물 라디칼(.OH), 슈퍼옥사이드(O2-), 과산화수소(H2O2), 질산염(NO2-)과 같은 반응성 종이 검출되고 정량화되었다.
• 20 mm uCAP에서는 단기 및 장기 수명 반응성 종의 생성이 향상되어 뛰어난 효능을 발휘하였다.
• uCAP 노출 시간이 증가할수록 종양 세포 사멸이 농도 의존적으로 증가하였다.
• 항암 효과는 종양 세포 유형에 특이적이지 않아 다양한 암 세포 라인에 광범위하게 적용 가능함을 시사했다.
• 다양한 반응성 종 간의 상호보완적 작용이 20 mm uCAP 장치의 향상된 세포독성에 핵심 요소로 확인되었다.