[논문 리뷰] Plasma Medicine and Osmosis

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

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics참고 문헌 24인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 약하게 이온화된 플라즈마 제트에 의해 유도되는 삼투압 변화가 플라즈마 의학에서 세포막 기계학적 성질에 상당한 영향을 미친다고 제안한다. 생리식염수의 이온-분자 조성을 변화시킴으로써 플라즈마 노출은 삼투압 기울기를 변화시키며, 이는 막의 팽창 또는 압축을 초래한다—이것은 변화된 막의 정합성과 기계적 성질에 기반하여 선택적으로 플라즈마에 의해 유도되는 세포 효과를 기계학적으로 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 세포 구조에 대한 플라즈마 유도 효과를 매개하는 삼투압의 역할을 조사하는 것.
• 약하게 이온화된 플라즈마 제트가 생리식염수의 이온-분자 조성을 어떻게 변화시키는지 분석하는 것.
• 삼투압 변화를 세포막의 기계적 변형(팽창 또는 압축)과 연결하는 것.
• 막의 기계적 성질 변화를 통해 플라즈마가 세포를 선택적으로 작용시키는 메커니즘을 설명하는 것.
• 플라즈마 의학 적용에 관련된 삼투압 및 기계적 효과의 정량적 추정치를 제공하는 것.

제안 방법

• 플라즈마 제트가 생리식염수와 상호작용하는 모델링을 통해 이온-분자 조성 변화를 평가하는 것.
• 플라즈마 노출 후 용질 농도 변화에 기반한 삼투압 변화 계산.
• 세포 외부 및 내부 환경 간 삼투압 차이를 적용하여 막 변형을 예측하는 것.
• 기계적 평형 원리를 사용하여 삼투압 스트레스 하에서 막이 팽창하거나 압축되는지 판단하는 것.
• 삼투압 변화의 크기와 그로 인한 세포막의 기계적 스트레스를 추정하는 것.
• 실험적으로 관찰된 플라즈마 치료의 선택성과 삼투압 효과에 의해 유도된 차별적 막 기계학적 반응을 연결하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라즈마 노출은 플라즈마 의학에서 사용되는 생리식염수의 이온-분자 조성을 어떻게 변화시키는가?
• RQ2 플라즈마에 의해 유도된 용질 농도 변화가 생리적 환경에서 삼투압에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 유도된 삼투압 차이가 세포막의 기계적 상태(예: 팽창 또는 압축)에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 삼투력이 플라즈마 의학에서 세포를 선택적으로 표적으로 삼는 데 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ5 막 기계학적 성질의 변화는 플라즈마 치료를 받은 세포에서 관찰된 실험 결과와 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 플라즈마 제트 노출은 생리식염수의 이온-분자 조성을 측정 가능한 정도로 변화시켜 삼투압이 변화시킨다.
• 세포 외부 및 내부 환경 간 유도된 삼투압 차이는 세포막의 기계적 변형을 유도한다.
• 외부 삼투압이 내부보다 낮을 경우 막은 팽창하고, 높을 경우 압축된다.
• 삼투압 스트레스로 인한 막의 기계적 약화는 특정 세포 유형에 대해 선택적으로 플라즈마 작용이 일어나는 타당한 메커니즘을 제공한다.
• 정량적 추정치에 따르면 플라즈마에 의해 유도된 삼투압 변화는 막 기계학적 성질을 상당히 변화시킬 수 있다.
• 이 모델은 삼투압에 의해 유도된 막의 기계적 스트레스를 통해 플라즈마 의학에서 관찰된 선택적 세포 효과를 설명할 수 있다.