[论文解读] The Strong Cell-based Hydrogen Peroxide Generation Triggered by Cold Atmospheric Plasma

Dayun Yan, Haitao Cui+5 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2017

Plasma Applications and DiagnosticsMedicine参考文献 49被引用 19

一句话总结

本研究证明，冷大气等离子体（CAP）在直接处理仅1分钟后，即可在乳腺癌和胰腺腺癌细胞中迅速诱导产生微摩尔级别的过氧化氢（H2O2）。细胞来源的H2O2生成受培养基体积、细胞融合度和放电电压的调节，揭示了CAP作用下一种此前未知的细胞反应，对癌症治疗机制具有重要意义。

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.

研究动机与目标

• 研究冷大气等离子体（CAP）是否在癌细胞中诱导内源性过氧化氢（H2O2）的生成。
• 确定细胞来源H2O2生成达到最大化的条件，包括培养基体积和细胞融合度。
• 探讨CAP参数（如放电电压）在调节H2O2输出中的作用。
• 识别一种可能参与其抗癌效应的、此前未报道的CAP细胞反应。
• 通过内源性H2O2生成，提供CAP诱导癌细胞氧化应激的机制见解。

提出的方法

• 将冷大气等离子体（CAP）直接应用于MDA-MB-231乳腺癌和BxPC-3胰腺腺癌细胞的单层培养物。
• 使用Amplex Red试剂进行荧光检测法测定细胞外H2O2水平。
• 系统性改变培养基体积（100–500 µL）和细胞融合度（20–100%），以评估其对H2O2生成的影响。
• 调节放电电压（10–20 kV），以评估其对H2O2生成动力学的影响。
• 采用以氦气为基础的CAP装置，在接近环境温度下运行，以最大限度减少热损伤。
• 对H2O2生成随时间的变化进行定量分析，记录1分钟暴露后达到的峰值水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 冷大气等离子体是否在癌细胞中诱导内源性过氧化氢（H2O2）的生成？
• RQ2 培养基体积如何影响贴壁癌细胞中CAP诱导的H2O2生成？
• RQ3 细胞融合度对CAP处理后细胞来源H2O2生成量的影响是什么？
• RQ4 CAP装置的放电电压如何影响H2O2生成的速率和水平？
• RQ5 是否存在一种此前未报道的、涉及内源性H2O2生成的CAP细胞反应？

主要发现

• 乳腺癌细胞（MDA-MB-231）在直接CAP处理1分钟内，H2O2生成量高达1.2 µM。
• 胰腺腺癌细胞（BxPC-3）在相同时间内生成高达1.5 µM的H2O2，表明其具有强烈的细胞来源H2O2生成能力。
• 当培养基体积从100 µL增加到500 µL时，H2O2生成显著减少，提示存在扩散或淬灭效应。
• 高细胞融合度（100%）产生的H2O2量高于低融合度（20%），表明H2O2生成具有细胞密度依赖性。
• 放电电压从10 kV提高到20 kV可增强H2O2生成，证实存在剂量依赖性反应。
• 所观察到的H2O2水平归因于内源性细胞生成，而非仅来自等离子体的物种，表明存在一种新型细胞反应。