[论文解读] Micro-sized cold atmospheric plasma source for brain and breast cancer treatment

Zhitong Chen, Li Lin+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 40被引用 3

一句话总结

本研究开发了一款微型冷大气等离子体（uCAP）源，用于靶向癌症治疗，通过20 mm喷嘴长度显著提升了对胶质母细胞瘤和乳腺癌细胞的杀伤效果。uCAP产生活性氧和氮物种（RONS），诱导剂量依赖性的肿瘤细胞死亡，其中20 mm装置因活性物种的协同输送而表现出更优效果。

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.

研究动机与目标

• 开发一种微型冷大气等离子体（uCAP）源，用于精确癌症治疗。
• 评估不同喷嘴长度对等离子体参数及癌细胞存活率的影响。
• 研究活性氧和氮物种（RONS）在uCAP诱导的肿瘤细胞死亡中的作用。
• 比较uCAP对胶质母细胞瘤（U87）和乳腺癌（MDA-MB-231）细胞系的疗效。
• 优化uCAP设计，以提升癌症治疗的疗效。

提出的方法

• 设计并制造具有不同喷嘴长度（20 mm和60 mm）的uCAP装置。
• 使用电学诊断测量等离子体射流中的电势分布和电子密度。
• 采用光学发射光谱法识别并量化活性物种，如.OH、O2-、H2O2和NO2-。
• 将U87胶质母细胞瘤和MDA-MB-231乳腺癌细胞暴露于uCAP，进行体外细胞毒性评估。
• 对活性物种浓度进行定量分析，并研究其与细胞死亡率的相关性。
• 开展剂量依赖性处理实验，评估等离子体暴露时间与癌细胞存活率之间的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 微型冷大气等离子体（uCAP）源的喷嘴长度如何影响活性物种的生成及其向癌细胞的输送？
• RQ2 uCAP对胶质母细胞瘤（U87）和乳腺癌（MDA-MB-231）细胞系的相对细胞毒性效应如何？
• RQ3 哪些活性物种（如.OH、H2O2、O2-、NO2-）在uCAP中显著生成并促进肿瘤细胞死亡？
• RQ4 uCAP的抗癌效果是否依赖于等离子体暴露剂量，且其效果如何随装置几何结构变化？
• RQ5 短寿命与长寿命活性物种之间的协同作用在uCAP诱导的细胞死亡中起何种作用？

主要发现

• 20 mm uCAP喷嘴在U87胶质母细胞瘤和MDA-MB-231乳腺癌细胞上均表现出强于60 mm喷嘴的抗癌效果。
• 在等离子体射流中检测并量化了羟基自由基（.OH）、超氧阴离子（O2-）、过氧化氢（H2O2）和亚硝酸根（NO2-）等活性物种。
• 20 mm uCAP中短寿命和长寿命活性物种的生成增强，促使其疗效更优。
• 随着uCAP暴露时间增加，肿瘤细胞死亡率呈剂量依赖性上升。
• 抗癌效果并非特异性针对某种肿瘤细胞类型，表明其在多种癌细胞系中均具广泛适用性。
• 多种活性物种的协同作用被确定为20 mm uCAP装置增强细胞毒性的关键因素。