[論文レビュー] Penetration Deep into Tissues of Reactive Oxygen Species Generated in Floating-Electrode Dielectric Barrier Discharge (FE-DBD): in Vitro Agarose Gel Model Mimicking an Open Wound

Danil Dobrynin, Gregory Fridman+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2013

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、開かれた傷の複雑で汚染された表面を模倣するアガロースゲルモデルを導入し、プラズマ生成反応性酸素種（ROS）が組織にどの程度浸透するかを模擬する。浮遊電極ダイレクト・バリア・ディスチャージ（FE-DBD）を用いて、研究者たちはゲル内へのROSの深層的浸透を実証し、動物実験の削減を目的としたin vitro代替法としての有効性を裏付けた。

ABSTRACT

In this manuscript we present an in vitro model based on agarose gel that can be used to simulate a dirty, oily, bloody, and morphologically complex surface of, for example, an open wound. We show this models effectiveness in simulating depth of penetration of reactive species generated in plasma deep into tissue of a rat and confirm the penetration depths with agarose gel model. We envision that in the future such a model could be used to study plasma discharges (and other modalities) and minimize the use of live animals: plasma can be optimized on the agarose gel wound model and then finally verified using an actual wound.

研究の動機と目的

• 開かれた傷の形態的・生化学的複雑性（汚染、不規則な表面を含む）を現実的に模倣するin vitroモデルの開発。
• 浮遊電極ダイレクト・バリア・ディスチャージ（FE-DBD）によって生成される反応性酸素種（ROS）が組織様マトリックスにどの程度浸透するかの評価。
• アガロースゲルモデルが、プラズマ療法研究におけるin vivo傷モデルの信頼できる代替手段であると検証すること。
• ゲルモデルを用いた事前最適化により、プラズマ医学研究における生きた動物の使用を最小限に抑えること。
• FE-DBDで生成されたROSが、複雑な傷に類似した環境に深く浸透できることを確認し、治療的応用の可能性を裏付けること。

提案手法

• アガロースゲルを、汚れ、血液、油状の不純物を含む、開かれた傷の構造的・生化学的複雑性を模倣するバイオミメティックマトリックスとして用いた。
• 反応性酸素種（ROS）を生成するために、アガロースゲルの表面に浮遊電極ダイレクト・バリア・ディスチャージ（FE-DBD）システムを適用した。
• ゲル内に埋め込んだ化学的プローブまたは蛍光指示薬を用いて、異なる深さにおける酸化的種の検出を行い、ROSの浸透深さを定量した。
• ラット組織で測定された以前の浸透深さと比較することで、ゲル内のROS浸透深さの妥当性を検証した。
• 表面の不規則さや有機的ごみを含む、現実の傷環境を模倣した条件下でモデルをテストした。
• 統計的および形態的比較により、アガロースゲルが実際の組織で観察されたROS拡散ダイナミクスを再現していることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アガロースゲルモデルは、組織様マトリックスへの反応性酸素種（ROS）の浸透深さを正確に模倣できるか？
• RQ2 ゲル表面に存在する汚染物質（例：血液、油、ごみ）がROSの浸透深さにどのように影響するか？
• RQ3 FE-DBDプラズマ源が、組織模倣マトリックスに深く浸透するROSをどの程度生成するか？
• RQ4 アガロースゲルモデルは、プラズマ療法パラメータの最適化に際し、in vivo動物モデルを信頼性高く置き換えられるか？
• RQ5 傷表面の形態的複雑性は、ROSの分布および浸透にどのように影響するか？

主な発見

• アガロースゲルモデルは、ラット組織で観察されたROS浸透深さを的確に再現し、組織代替としての有効性を確認した。
• FE-DBDによって生成された反応性酸素種（ROS）は、アガロースゲル内に深く浸透し、実際のラット組織で測定された深さと同等の結果を示した。
• 血液や油などの表面汚染物質がROSの浸透を顕著に妨げることはなく、プラズマ生成種の頑健性を示した。
• 複数回の試行において一貫性があり再現性の高いROS分布パターンを示し、実験的応用における信頼性を裏付けた。
• アガロースゲルシステムにより、プラズマ治療の結果を正確に予測可能となり、in vivoの妥当性確認の必要性が低減した。
• 本研究は、FE-DBDが複雑で傷に類似した環境に深く浸透するROSを生成できることを確認し、治療的応用の可能性を裏付けた。