[论文解读] Plasma Medicine and Osmosis

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

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics参考文献 24被引用 3

一句话总结

本文提出，弱电离等离子体射流诱导的渗透压变化显著影响等离子体医学中的细胞膜力学。通过改变生理盐水溶液的离子-分子组成，等离子体暴露会改变渗透压梯度，导致细胞膜拉伸或压缩——为基于膜完整性和机械性能改变的等离子体选择性细胞效应提供了机制解释。

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.

研究动机与目标

• 研究渗透压在介导等离子体对细胞结构影响中的作用。
• 分析弱电离等离子体射流如何改变生理盐水溶液的离子-分子组成。
• 将渗透压变化与细胞膜的机械形变（拉伸或压缩）联系起来。
• 通过膜机械性能的改变，解释等离子体对细胞的选择性作用。
• 提供与等离子体医学应用相关的渗透压和机械效应的定量估计。

提出的方法

• 建模弱电离等离子体射流与生理盐水溶液的相互作用，以评估离子-分子组成的改变。
• 根据等离子体暴露后溶质浓度的变化，计算渗透压的变化。
• 将细胞外与细胞内环境之间的渗透压差应用于预测膜形变。
• 应用机械平衡原理，确定膜在渗透压应力下是拉伸还是压缩。
• 估算渗透压变化的大小及其在细胞膜上产生的机械应力。
• 将实验观察到的等离子体治疗选择性与由渗透压效应驱动的膜机械响应差异联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 等离子体暴露在等离子体医学中使用的生理盐水溶液中，如何改变其离子-分子组成？
• RQ2 等离子体诱导的溶质浓度变化在生理环境中在多大程度上影响渗透压？
• RQ3 由此产生的渗透压差在多大程度上影响细胞膜的机械状态（如拉伸或压缩）？
• RQ4 渗透力在等离子体医学中选择性靶向细胞方面起到多大作用？
• RQ5 膜机械性能的变化与等离子体处理后细胞的实验结果之间存在何种相关性？

主要发现

• 等离子体射流暴露会显著改变生理盐水溶液的离子-分子组成，从而导致渗透压变化。
• 细胞外与细胞内环境之间由此产生的渗透压差驱动了细胞膜的机械形变。
• 当外部渗透压低于内部时，膜会受到拉伸；当外部渗透压高于内部时，膜会受到压缩。
• 由于渗透压应力导致的膜机械性能减弱，为某些细胞类型的选择性等离子体作用提供了合理的机制解释。
• 定量估算表明，等离子体诱导的渗透压变化足以显著改变膜的机械性能。
• 该模型通过渗透压驱动的膜机械应力，解释了等离子体医学中观察到的选择性细胞效应。