大气压低温冷等离子体活性成分对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)灭活的生物学分子机制

Plasma Medicine is an quickly emerging interdisciplinary field. The invention of cold atmospheric pressure plasma jet greatly facilitated the study of medical applications of plasma. The first and most widely applications of plasma medicine is sterilization. Reactive oxygon and nitrogen species were speculated to play important roles in inactivation of microorganisms through physical diagnosis. However, the biological mechanism underlying is still in its infancy, which becomes one of the major obstacles on the way to plasma medical applications. Here, we plan to elucidate the biological effects of the reactive oxygon speices (ROS) and reactive nitrogen speices (RNS) and thus the molecular mechanisms of plasma sterilization by treating the methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) with sublethal plasma dose, through combining microbiology, molecular biology and plasma technologies. This basic knowledge will inevitably supply scientific basis and evaluation for plasma sterilization applications, particularly for drug resistant pathogens as MRSA.

等离子体医学是一个新兴的交叉学科领域，大气压常温冷等离子体射流的出现，大大促进了等离子体医学应用的研究，目前等离子体医学最早也是最广泛的应用是等离子体灭菌。通过物理诊断研究推测是含氧和含氮的活性成分在等离子体灭活微生物过程中发挥关键作用，但是这些活性成分与微生物作用的生物学机制都尚不清楚。本项目组拟以等离子体亚致死剂量处理耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）为模型，结合微生物学、分子生物学和等离子体技术，在分子和细胞水平解析等离子体活性氧成分（ROS）和活性氮成分（RNS）对微生物的生物效应以及灭菌机制。通过本研究的开展，增加对等离子体灭菌生物机制和物理机制的认识，对等离子体活性成分作用机制的研究能够为等离子体的科学应用提供指导。

等离子体生物医学最早最广泛的应用是等离子体灭菌，虽然等离子体能够高效灭活微生物，然而长期以来等离子体灭活微生物的化学和生物学机制都尚不清楚。本项目将大气压低温冷等离子体技术、微生物生理学、组学、遗传学、生物化学和分子生物学等实验技术相结合，分析研究大气压低温冷等离子体活性成分灭活耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的物理学和生物学机制。本项目研究发现：（1）以He + Air作为给料气体的沿面放电装置能够高效灭活MRSA，并对该条件下产生的长寿命和短寿命活性成分进行了定性和定量分析；（2）首次报道了等离子体能够诱导细菌细胞中的核酸和蛋白产生交联损伤，这一效应是通过等离子体活性成分对蛋白产生的氧化修饰基团与核酸作用产生的，这种损伤很可能是导致细菌死亡的重要机制之一；（3）等离子体亚致死处理MRSA能够使细胞中活性氧含量增加，同时能够回复MRSA对抗生素的敏感性促进抗生素灭活MRSA；（4）等离子体活性成分能够对MRSA生物膜细胞中的蛋白产生氧化损伤，有助于抗生素灭活MRSA生物膜，并进一步采用遗传学方法对此效果进行了验证分析；（5）等离子体及其活化水能够高效灭活多种不同的病毒，这一效应主要通过等离子体活性成分诱导病毒核酸和蛋白产生损伤并引起病毒聚集产生的。通过本项目的开展，建立了等离子体活性成分与其生物学效应之间的联系，增加了对等离子体灭活微生物物理学和生物学机制的认识，从而能够为等离子体的科学应用提供理论基础。