大气压等离子体选择性凋亡癌细胞机理研究

Apoptosis of cells induced by plasma has become a hot research spot in biomedical applications. There are different responses for the cancer cells and normal ones after plasma treatment. Therefore it is of scientific significance to elucidate the mechanism which promotes the selective apoptosis effect on the cancer cells by plasma in the application of plasma technology in cancer treatment. In this project，the cancer cells （breast cancer cells）and normal cells （mammalian breast epithelial cells）are treated by the atmospheric pressure plasma. Firstly，the cell viability, apoptosis rate and the features of the cancer cells in different treatment conditions are investigated by multiple biological detection methods. The variations of psychological characteristics of the cancer cells and normal ones are obtained before and after treatment. The amounts of reactive species in the cell nutrient are measured by the chemical analysis technology before and after treatment to achieve the variation of the types and concentrations of the reactive species in the aqueous solution. Finally, the different biomolecular effects of plasma treatment on the cancer cells and normal ones are investigated by biological detection methods through intracellular ROS, functional proteins and the signaling pathways. The results of above three stages are combined in order to find out the inner connections among them and to clarify the mechanism of selective apoptosis on the cancer cells induced by plasma. This project will provide experimental supports for the plasma-cancer therapy.

等离子体诱导细胞凋亡已成为其在生物医学应用中的一个研究热点。癌细胞和正常细胞在等离子体作用下会出现不同的凋亡现象，阐明等离子体选择性凋亡癌细胞机理对等离子体技术用于癌症治疗具有重要的科学意义。本申请首先采用大气压等离子体对癌细胞（乳腺癌细胞）和正常细胞（哺乳动物乳腺上皮细胞）进行处理，利用生物检测技术对不同处理条件下癌细胞和正常细胞活力、凋亡率及形貌等进行研究，掌握处理前后的癌细胞和正常细胞主要生理特性的变化规律；其次利用化学分析技术对处理前后细胞营养液中活性基团含量进行测量，明确活性基团的种类、含量等特性参数的变化规律；最后再通过生物检测手段，从细胞内ROS，功能蛋白，信号通路等方面入手，研究等离子体处理对癌细胞和正常细胞在生物分子层面的影响；将这三阶段的结果综合起来进行分析，找出三者的内在联系，阐明等离子体选择性诱导癌细胞凋亡机理。本项目的开展将为等离子体在癌症治疗方面提供实验依据。

等离子体诱导癌细胞凋亡机理研究是等离子体医学中一个重要分支，其作用机理仍不明晰，明确这一机制对未来等离子体应用于治疗癌症具有重要的科学意义。本项目利用等离子体对不同液体（去离子水、PBS和细胞营养液）进行处理，通过化学分析技术对处理前后液体中活性基团含量进行测量，明确活性基团的种类、含量等特性参数的变化规律；采用生物检测手段，从细胞内ROS，功能蛋白，信号通路等方面入手，研究等离子体处理对癌细胞和正常细胞在生物分子层面的影响；对这些结果进行分析，找出内在联系，阐明等离子体选择性诱导癌细胞凋亡机理。本研究表明，不同液体中等离子体引发的长寿命液相活性基团（H2O2、O3、NO3-、NO2-）都随着处理时间的延长而增加；短寿命液相基团OH的生成速率为线性增加，其生成的速率与工作气体组分关系较大。利用等离子体对正常细胞和癌细胞进行处理，发现对于不同的细胞系，正常细胞和癌细胞活力变化具有明显的区别。结果显示，乳腺癌细胞（MDA-MB-231）和正常细胞（MCF10A）随着等离子体处理时间的延长，癌细胞和正常细胞的活力都会下降，而正常细胞则更为明显，出现这种结果是由于正常细胞对于等离子体引发的活性含氧物质耐受力低于癌细胞造成的。而对于癌细胞（A-431）和正常细胞（Hacat），则癌细胞要比正常细胞活力下降的多，这是由于等离子体在提升癌细胞和正常细胞胞内ROS含量不同造成的。等离子体对处于不同周期的癌细胞也有一定的选择性。我们研究表明，HeLa和MCF-7细胞在等离子体处理后，其S和M周期细胞的活力明显小于G1和G2周期，这是由于DNA 复制和姐妹染色体分离过程是等离子体在S期和M期细胞中的重要细胞靶标，等离子体在S期和M期癌细胞中诱导增殖压力，从而促进细胞凋亡。综上，等离子体是通过其引发的液相活性基团，尤其是长寿命活性基团作用癌细胞，触发其相应的信号通路实现诱导癌细胞凋亡。明确这一作用机理，可以为动物和临床验证研究提供理论支持和实验依据，未来提升等离子体在癌症治疗过程中的安全性。