大气压等离子体诱导癌细胞凋亡的分子机制研究

Recently，there has been growing interest in developing their counterparts at atmospheric pressure plasma, particularly for biomedical applications such as coagulation, chronic wound healing, dental root canal treatment, the bacteria inactivation, cancer treatment. However, in theory and applications, there are still many problems, for example, plasma diagnose, discharge mechanism and cancer clinical treatment. In response to this situation, skin and oral cancers in the body surface, which are suitable for operation with the early clinical treatment, are treated by atmospheric pressure plasma. In this study, the fast pulsed high-voltage probes, ICCD camera, and high-resolution spectrometer instrument will be used to analyze spatial and temporal dynamics characteristic of plasma plume driven by the high-voltage power. The discharge characteristics (Lissajous graphics, electron density, plasma "bullet" speed, etc.) for different reaction gases are examined. We will find the relationship between discharge conditions and apoptosis and necrosis. On these bases, we will explore the mechanism of the interaction between the various plasma reactive species and cancer cells, which can supply the theoretical and experimental basis for the development of plasma biomedical applications.

当前，大气压等离子体在凝血、慢性伤口愈合、牙齿根管治疗、病菌的灭活、癌细胞处理等方面具有广阔的应用前景。但是在理论和应用方面，仍存在等离子体反应粒子较难诊断、放电机制尚不明确，癌症的临床治疗困难等问题。针对这一现状，我们使用大气压等离子体放电装置对处于体表的、适合操作与临床早期处理的皮肤癌与口腔癌细胞进行实验研究。本项目拟利用快脉冲高压探头、ICCD相机、高分辨光谱仪等仪器分析在高压电源驱动下产生惰性气体等离子体羽的时空动力学特性；研究各种不同的反应气体对放电特性（李萨如图形、电子密度、等离子体"子弹"速度等）的影响；找到等离子体放电条件与细胞凋亡、坏死之间的关系。在此基础上，探讨等离子体中各种活性物种与癌细胞之间相互作用的机制，为等离子体生物医学的发展、应用提供理论和实验基础。

本实验的研究重点是等离子体针与黑色素瘤癌细胞在分子水平上的相互作用。用台盼蓝拒染试验和Annexin-V/PI染色、单细胞凝胶电泳（彗星试验）评估其对存活率、坏死的诱导和诱变活性的影响。台盼蓝拒染试验表明，等离子体处理能够短时间内显著降低了所有被处理细胞的活力(30s), 随后再致死细胞(60 和120s)。彗星试验分析结果表明：细胞内的DNA在等离子体内处理后发生了，解旋，断裂等现象。. 实验表明大气压等离子体致死癌细胞的原因是活性物质进入细胞体内对遗传物质作用导致细胞凋亡，即大气压低温等离子体能够修改细胞体内的遗传物质RNA和DNA。为了避免空气对遗传物质的影响，我们利用水中放电装置进行了相关研究。文章中我们利用大气压等离子体对作为遗传物质的胸腺嘧啶(Thymine)及对应的胸腺嘧啶脱氧核苷(Thymidine)进行处理，并通过实验分析给出了等离子体与胸腺嘧啶作用过程。该研究对了解大气压等离子体对细菌失活的机制具有一定指导作用，同时对等离子体与生物体作用有着积极的指导意义。. 实验中发现培养液层的厚度对癌细胞存活率影响很大，说明自由基在溶液表面向下扩散过程中浓度减弱。本研究以OH自由基的量为研究重点，因为其能够直接与细胞的胞膜作用，从而致死细胞。通过测量等离子体处理水杨酸溶液和Milli-Q水中OH自由基的浓度, 从而给出了等离子体处理过程中溶液液相层表面OH自由基量，以及等离子体处理后溶液中OH自由基浓度，对比了两种情况下的处理效率，从而得知等离子体在处理过程中在交界面产生的活性粒子是杀癌细胞的关键。