[논문 리뷰] The Strong Cell-based Hydrogen Peroxide Generation Triggered by Cold Atmospheric Plasma

Dayun Yan, Haitao Cui외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 28.

Plasma Applications and DiagnosticsMedicine참고 문헌 49인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 냉대기상 플라즈마(CAP)가 직접 치료를 받은 지 1분 이내에 유방암 및 췌장 선암세포에서 빠르게 마이크로몰 농도의 과산화수소(H2O2)를 생성함을 보여준다. 세포 기반의 H2O2 생성은 배지 부피, 세포 밀도 및 방전 전압에 의해 조절되며, 이는 CAP에 대한 이전에 알려지지 않은 세포 반응을 드러내며, 암 치료 메커니즘에 대한 영향을 미친다.

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.

연구 동기 및 목표

• 냉대기상 플라즈마(CAP)가 암세포에서 내재된 과산화수소(H2O2) 생성을 유도하는지 조사하기.
• 배지 부피 및 세포 밀도를 포함하여 세포 기반 H2O2 생성이 최대가 되는 조건을 규명하기.
• 방전 전압과 같은 CAP 파arameter가 H2O2 출력에 미치는 영향을 탐구하기.
• CAP에 대한 새로운 세포 반응이 암세포 억제 효과에 기여할 수 있는지 규명하기.
• 내재된 H2O2 생성을 통한 CAP 유도 산화 스트레스의 메커니즘적 통찰을 제공하기.

제안 방법

• MDA-MB-231 유방암 및 BxPC-3 췌장 선암세포의 단층 배양에 냉대기상 플라즈마(CAP)를 직접 적용하기.
• Amplex Red 시약를 사용한 형광 측정법을 통해 세포 외부 H2O2 농도 측정하기.
• H2O2 생성에 미치는 영향을 평가하기 위해 배지 부피(100–500 µL)와 세포 밀도(20–100%)를 체계적으로 변화시키기.
• H2O2 생성 동역학에 대한 영향을 평가하기 위해 방전 전압(10–20 kV) 조절하기.
• 열 손상 최소화를 위해 근처 대기 온도에서 작동하는 헬륨 기반 CAP 장치 사용하기.
• 시간에 따른 H2O2 생성 정량 분석을 수행하고, 노출 후 1분에 최고 수준 기록하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉대기상 플라즈마는 암세포에서 내재된 과산화수소(H2O2) 생성을 유도하는가?
• RQ2 배지 부피는 부착성 암세포에서 CAP 유도 H2O2 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 세포 밀도는 CAP 치료 후 세포 기반 H2O2 생성의 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CAP 장치의 방전 전압은 H2O2 생성 속도와 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 내재된 H2O2 생성을 포함한 이전에 보고되지 않은 CAP에 대한 세포 반응이 존재하는가?

주요 결과

• 유방암세포(MDA-MB-231)는 직접 CAP 치료를 받은 지 1분 이내에 최대 1.2 µM의 H2O2를 생성하였다.
• 췌장 선암세포(BxPC-3)는 동일한 시간대에 최대 1.5 µM의 H2O2를 생성하여 강력한 세포 기반 H2O2 생성을 보였다.
• 배지 부피를 100 µL에서 500 µL로 증가시킬수록 H2O2 생성이 유의미하게 감소하여 확산 또는 억제 효과를 시사하였다.
• 높은 세포 밀도(100%)에서 낮은 밀도(20%)보다 더 높은 H2O2 출력을 기록하여 세포 밀도 의존성의 증거가 되었다.
• 방전 전압을 10 kV에서 20 kV로 증가시킴에 따라 H2O2 생성이 증가하여 용량 의존적 반응을 확인하였다.
• 관찰된 H2O2 농도는 플라즈마 유래 종만이 아니라 세포 내에서 생성된 것으로 판단되어, 새로운 세포 반응을 시사하였다.