[论文解读] Cold Gas Plasma Sources and the Science behind their Applications in Biology and Medicine

Mounir Laroussi|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2021

Plasma Applications and Diagnostics被引用 5

一句话总结

本文综述了冷大气等离子体（CAP）源及其生物医学应用背后的科学基础，解释了在CAP中生成的活性物质如何选择性地诱导癌细胞凋亡，同时促进伤口愈合并表现出杀菌作用。其主要贡献在于对等离子体-生物学相互作用的全面综合，强调了活性氧和氮物种在低剂量下调节细胞功能中的作用。

ABSTRACT

Studies on the interaction of plasma generated at atmospheric pressure and at room temperature (low temperature plasma or just cold plasma) with biological cells and tissues have revealed that cold plasma has therapeutic effects that form the basis for new medical therapies. Cold plasma exhibits bactericidal properties and at low doses can modulate cell functions, including proliferation, attachment, and migration. Research in the last two decades has shown that cold plasma can be used for wound healing and can kill cancer cells in a selective manner. This paper describes the fundamental science behind the biomedical applications of cold plasma.

研究动机与目标

• 阐明冷大气等离子体（CAP）在生物系统中的基本物化机制。
• 应对在伤口护理和肿瘤学领域对非热、选择性且非抗生素疗法日益增长的需求。
• 通过整合当前关于CAP-生物相互作用的研究，为新兴的等离子体医学领域提供科学基础。
• 阐明低剂量CAP如何调节细胞增殖、黏附和迁移等关键细胞功能。

提出的方法

• 系统性回顾在常压和接近室温下运行的冷等离子体源的实验与理论研究。
• 分析由等离子体生成的活性氧和氮物种（RONS）作为生物效应的关键介导因素。
• 利用体外和体内模型，研究等离子体-组织及等离子体-细胞的相互作用。
• 使用等离子体诊断与光谱技术表征CAP的化学组成。
• 整合医学物理与等离子体物理的研究成果，以解释选择性细胞毒性机制。
• 评估等离子体源设计（例如，介质阻挡放电、等离子体射流）及其生物效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 冷大气等离子体源如何在室温与常压下生成具有生物活性的物质？
• RQ2 哪些主要活性物种负责对细胞和组织产生的观察到的治疗效果？
• RQ3 为何冷等离子体能选择性诱导癌细胞凋亡，而对正常细胞无害？
• RQ4 低剂量等离子体暴露如何调节细胞增殖、黏附和迁移等关键细胞过程？
• RQ5 冷等离子体杀菌和促进伤口愈合的机制是什么？

主要发现

• 由于生成的活性氧和氮物种（RONS）可破坏微生物膜和DNA，冷等离子体表现出显著的杀菌效果。
• 低剂量冷等离子体暴露可通过增强成纤维细胞的增殖和迁移来促进伤口愈合，提示其在慢性伤口治疗中的潜在应用价值。
• 冷等离子体通过RONS介导的氧化应激选择性诱导癌细胞凋亡，而正常细胞因具有更高的抗氧化能力而得以保留。
• 冷等离子体的治疗窗口较窄：高剂量导致细胞毒性，而低剂量则有益地调节细胞功能。
• 诸如介质阻挡放电和等离子体射流等等离子体源能有效将受控的RONS递送到生物靶点，且不会造成热损伤。
• 本文建立了等离子体生成物种与下游细胞反应之间的机制联系，为临床转化奠定了基础。