High-throughput verkouden fysieke plasma behandeling protocol van vloeistoffen en cellen wordt weergegeven. Het gaat om de oprichting van verschillende grondstof gas composities voor plasma ontsteking, meten van de plasma emissie spectra, en de daaropvolgende analyse van vloeistoffen en cellulaire activiteit na plasma behandeling.
In plasma geneeskunde, worden geïoniseerde gassen met temperaturen dicht bij die van de gewervelde systemen toegepast op de cellen en weefsels. Koude plasma’s genereren reactieve soorten bekend bij redox reguleren van biologische processen in gezondheid en ziekte. Pre-klinische en klinische gegevens wijzen op de gunstige effecten van plasma behandeling in de genezing van chronische ulceratie van de huid. Andere opkomende onderwerpen, zoals de behandeling van de kanker van het plasma, krijgen steeds meer aandacht. Plasma medisch onderzoek vereist interdisciplinaire expertise in natuurkunde, scheikunde en biologie. Doel van het onderzoek van plasma is te karakteriseren van plasma-behandelde cellen in een verscheidenheid van specifieke toepassingen. Dit omvat, bijvoorbeeld cellen en levensvatbaarheid, de cellulaire oxidatie, de mitochondriale activiteit, de cytotoxiciteit en de modus van de dood van de cel, celcyclus analyse, cel oppervlakte marker expressie en cytokine release. Deze studie beschrijft de essentiële apparatuur en vereiste voor dergelijk onderzoek in plasma biogeneeskunde werkstromen. Hierin wordt de werking van een atmosferische druk argon plasma jet, specifiek toezicht op haar fundamentele emissie spectra en diervoeders gas instellingen om te moduleren van reactieve soorten uitvoer. Met behulp van een hoge-precisie xyz-tabel en de computersoftware, is de jet zweefde in milliseconde precisie over de gaatjes van 96-wells-platen in micrometer-precisie voor maximale reproduceerbaarheid. Stroomafwaarts testen voor vloeibare analyse van redox-actieve moleculen worden weergegeven, en doelcellen zijn plasma-behandeld. Specifiek, melanoom cellen worden geanalyseerd in een efficiënte opeenvolging van verschillende opeenvolgende tests maar met behulp van dezelfde cellen: meting van de metabole activiteit, cel totaal gebied en oppervlakte marker expressie van calreticulin, een molecule die belangrijk zijn voor de immunogene celdood van kankercellen. Deze testen ophalen tevreden-rijke biologische informatie over plasma effecten uit een enkele plaat. Over het geheel genomen is deze studie beschrijft de essentiële stappen en protocollen voor plasma medisch onderzoek.
Reactieve soorten zijn belangrijke redox regelgevers in ziekte, met inbegrip van abnormale wond genezing1 en kanker. 2 nog belangrijker is, zijn deze soorten betrokken in de pathologie, alsmede zijn therapeutische resolutie. 3 , 4 koude fysieke plasma is een geïoniseerd gas die reactieve soorten vele soorten verdrijft. 5 sinds de komst van de zogenaamde koude plasma’s die op lichaam temperatuur6 opereren, koude plasma kunnen worden toegepast op cellen en weefsels zonder thermische schade. Door aan te tonen de werkzaamheid en veilige toepassing van plasma apparaten in pre-klinische en klinische waarnemingen, heb drie accreditatie ontvangen als medische hulpmiddelen in Duitsland. 7 vooral met betrekking tot de veiligheid van de genotoxische, verschillende studies hebben aangetoond de afwezigheid van mutagene gebeurtenissen met behulp van het eerste apparaat, een atmosferische druk argon plasma jet. 8 , 9 , 10 de andere twee apparaten zijn zogenaamde diëlektrische barrière lozingen (DBD), die via een ander principe dan plasma jet werken. Specifiek, toestaan stralen voor scalpel-achtige behandeling van oppervlakken en Holten overwegende dat DBD plasma’s efficiënt zijn in het behandelen van grotere maar nogal plat weefsel gebieden. Exploitatie van cellulaire redox signalering11, is het doel van de techniek plasma gegenereerde reactieve soorten voor biomedische toepassingen gebruiken. 12 een bijzonder veelbelovende toepassing van klinische plasma therapie is de steun van de wondgenezing. 13 , 14 , 15 voorts plasma werd aangetoond dat de antikanker effecten hebben in diermodellen. 16 , 17 , 18
Gestandaardiseerd voor het valideren van de werkzaamheid en veiligheid van plasma toepassingen in diermodellen, of zelfs mensen, in vitro onderzoek moet worden uitgevoerd met plasma apparaten. Deze experimenten zijn essentieel om te verkennen plasma toepassingen en om af te bakenen de mechanismen op het werk. Bovendien, fundamenteel onderzoek is nodig om te begrijpen de impact van de samenstelling van reactieve species en latere biologische effecten. Deze studie toont aan hoe plasma kan worden geïntegreerd in biomedisch onderzoek om beter te begrijpen en beheersen van de gevolgen ervan voor de cellen. Het beschrijft de afstemming van de grondstof gassamenstelling, de monitoring van reactieve soorten uitvoer, de toepassingen van plasma vloeistoffen, cellen, weefsels en de daaruit voortvloeiende resultaten van chemische en biologische. Bovendien voorbeelden gegeven die instrueren over de normalisatie van plasma behandeling en downstream biologische testen, met een nadruk op plasma medisch onderzoek gedaan in 96-wells-platen. Deze aanpak heeft verschillende voordelen: ik) minimalisering van het aantal cellen nodig per voorwaarde, reagens kosten en hands-on tijd per monster; II) correctie van grotere nauwkeurigheid van de resultaten zoals tweevoudige of drievoudige behandelingen kunnen worden ingesteld met gemak; en iii) vergemakkelijking van naadloze downstream keuring in 96-Wells-indeling afleesapparaat, imaging en stroom cytometry experimenten.
Fundamenteel onderzoek is van fundamenteel belang voor de ontwikkeling van een goed begrip van de werkzaamheid van en mechanismen onderbouwing plasma geneeskunde in preklinisch en klinisch onderzoek. Fundamenteel onderzoek bevordert ook het onderzoek naar nieuwe toepassingen voor behandelingen. Terwijl het is reeds lang gevestigd dat plasma’s hun biologische effecten via generatie van reactieve zuurstof en stikstof soorten19 bemiddelen, zijn er nog drie belangrijkste uitdagingen voor het veld. Ten eerste, welke soorten zijn belangrijk? Dit kan deels worden beantwoord door het moduleren van de grondstof gassamenstelling van plasma’s met optische diagnostiek en biologische uitlezingen. 20 tweede, wat effecten kan worden gezien in de biologische doelen zoals cellen? Dit wordt, op zijn minst gedeeltelijk, behandeld met behulp van cel cultuur experimenten en een aantal testen. In eukaryote cellen, effecten zijn pleiotropic inclusief celcyclus arrestatie21, apoptosis22, necrose23, en huid cel stimulatie24,25,26, evenals een ondersteuning of daling van de cel motility of metabole activiteit27,28,29. De derde uitdaging, met betrekking tot deze pleiotropic effecten, is het identificeren van sleutelmoleculen die bepalend zijn voor de cellulaire reactie op plasma bereide oxidanten uit te leggen van de verschillende effecten vaak gezien in verschillende soorten cellen. Dit kan gedaan worden door omics technieken30,31,32 en/of omhoog of Downregulatie van doelgenen met behulp van siRNA (redox) signalering-remmers, anti-oxidanten en antioxidant enzymen, evenals de modulatie van de plasma van reactieve soorten uitvoer. 33 , 34 , 35 daarom, gestroomlijnde assay protocollen nodig zijn om te testen van grotere sample sets met groot aantal iteraties.
Deze studie is een voorbeeld van een efficiënte workflow van experimentele, uit de natuurkunde naar de biologie, voor plasma medisch onderzoek met betrekking tot de bovengenoemde uitdagingen. Details over de technische aspecten van de bron van de plasma en het plasma generatie zijn vóór beschreven. 36 , 37 , 38 worden alle van deze tests uitgevoerd in 96well platen, die heeft een aantal voordelen. Bijvoorbeeld, kunnen monsters zoals cel cultuur supernatant gemakkelijk gebeuren van assay aan collectie platen te onderzoeken, bijvoorbeeld eiwit concentraties via de enzym-verbonden-immunosorbent-analyse. Als wetenschappelijk materiaal staat lezing rechtstreeks van 96-wells beschikbaar is, wordt een dergelijke aanpak minimaliseert kost per monster en handsontime en maximaliseert resultaten door multiplexing van verschillende tests van hetzelfde monster. Het gebruik van meerkanaals pipettes Bovendien versnelt monster behandeling. In principe, kan de hier beschreven test ook worden uitgevoerd met behulp goed plaat formaten met grotere goed diameters, hoewel dit extra pipetting stappen in andere buizen en schepen voor downstream testen vereisen zou. Kleinere plaat typen zoals 384well platen, vertonen echter niet de geometrie geschikt voor onderzoek van de biomedische plasma jets met grote grondstof gas fluxen. In het bijzonder kan niet worden gegarandeerd dat alleen één maar niet aangrenzende putten tijdens een behandeling ondervinden.
Vloeibare analyse is essentieel om te onderzoeken diersoorten afzetting door het plasma. In de analyses van deskundigen, kan een parallelle installatie van verschillende tests plasmatreated vloeistoffen met betrekking tot verschillende oxidanten karakteriseren op hetzelfde moment. Deze multiplexing biedt voor de ontwikkeling van een gedifferentieerde beeld van plasmaderived soorten. De beschreven aanpak is zeer gevoelig voor het onderzoeken van waterstofperoxide concentraties39, die is vaak noodzakelijk, maar niet altijd voldoende om uit te leggen van plasma effecten. 40 , 41 , 42 biologisch relevante effecten kunnen ook worden beoordeeld, in vloeistoffen met een test van de glutathion hier niet inbegrepen. 43 de bepaling van specifieke nitriet wordt sterk aangeraden boven conventionele Griess-Assays als gevolg van de 10fold hogere gevoeligheid van de test (gegevens niet worden weergegeven). Plasmatreated vloeistoffen kunnen ook worden onderzocht voor de vorming van waterstofhypochloriet zuur met behulp van de DTNB-bepaling. Vorige resultaten deed echter niet geven aan de vorming van die soort met onze plasma-bron. 19 , 39 , 44 nadat plasma behandeling is voltooid, de verslechtering van de soort plaatsvindt na verloop van tijd. Nitriet reageert op nitraten; peroxide is ook verbruikt na verloop van tijd. Deze processen worden echter enkele uren duren. 35 cytochroom c absorptie is stabiel over enkele uren ook. Daarom, als processen zich voordoen binnen de eerste 30 min na de behandeling, variatie in concentraties langlevende soorten die hier worden beschreven zijn te verwaarlozen. Echter zorg moet worden genomen wanneer bepaalde soorten media (bijvoorbeeldde Dulbecco bewerkt Eagle Medium) onderzoeken als ingrediënten opruimen kan omhoog aan 90% peroxide binnen 1 uur (gegevens niet worden weergegeven) leiden tot een onderschatting van plasma peroxide afzetting in vloeistoffen.
Een multiplex assay wordt gepresenteerd die varieert van de metabole activiteit onderzoeken over cel gebied (morfologie) op cel oppervlakte marker expressie. Een combinatie van deze tests kan onthullen interessante resultaten. Bijvoorbeeld, hebben wij eerder in THP1 monocyten getoond dat metabole activiteit en cel graven niet op een lineaire wijze na blootstelling aan plasma doen afnemen. 45 Rather, met toenemende plasma behandeltijd, cellen werden waargenomen die groter waren geworden en had een hogere mitochondriale massa, waardoor hogere stofwisseling op basis van de percell. In wezen, de combinatie van multiplate lezer, microscopie en stroom cytometry multiplexes informatie over cellulaire reacties na plasma behandeling. In melanoom cellen focussen we hier op cytotoxische effecten en hun immunogeniciteit gemedieerd door calreticulin. 46 in principe vele andere vragen kunnen worden aangepakt met deze aanpak metabole activiteit met beeldvorming en stroom cytometry resultaten te koppelen. Bijvoorbeeld, kan celdifferentiatie (bijvoorbeeld macrofaag polarisatie), Mitochondriale membraanpotentiaal, celcyclus analyse, de beweeglijkheid van de cel, biomechanica of micronucleustest vorming voor analyse van genotoxiciteit ook worden onderzocht in Plasma-behandelde cellen. Multicolor stroom cytometry zorgt voor nog meer toepassingen in verschillende cel populaties op hetzelfde moment. Dit omvat bijvoorbeeld de analyse van de status van de fosforylatie van signalering eiwitten zoals transcriptiefactoren, mRNA kwantificering, meting van intracellulaire cytokinen, en/of beoordeling van totale verminderde thiolen op het niveau van een enkele cel. Extra biologisch relevante informatie die beschikbaar is voor elk monster helpt bij de verdere ontwikkeling van het beeld van plasma redox effecten om huidige en toekomstige plasma toepassingen beter te begrijpen.
The authors have nothing to disclose.
Financiering van het Duitse federale ministerie van onderwijs en onderzoek (goedgekeurd verlenen nummers 03Z22DN11 en 03Z22DN12) dankbaar wordt erkend.
accutase | BioLegend | 423201 | |
amplex Ultra Red detection kit (includes horse-radish peroxidase and H2O2) | Thermo | A36006 | |
argon gas | Air Liquide | N50 | |
B16F10 murine melanoma cells | ATCC | CRL-6475 | |
catalase | Sigma | C30 | |
cell culture incubator | Binder | CB210 | |
cell culture plastic | NUNC | 156545 | |
cytochrome c, oxidized | Sigma | C2037 | |
data analysis | GraphPad software | prism 7.03 | |
fetal bovine serum | Sigma | batch-tested | |
fine scale | any with resolution of 0.01mg | ||
flow cytometer | Beckman-Coulter | CytoFlex S | |
flow cytometry data analysis | Beckman-Coulter | Kaluza 1.5a | |
Glutamine | Sigma | G7513 | |
imaging quantification software | PerkinElmer | Harmony 4.5 | |
laminar flow hood | Thermo | Maxisafe 2020 | |
mass flow controller | MKS | G-series | |
Measure-iT nitrite detection kit | Thermo | M36051 | |
microscope | PerkinElmer | Operetta CLS | |
optical emssion spectroscopy | Avantes | AvaSpec-DDDD-2-USB2 | |
penicilin/streptomycin | Thermo | 15140122 | |
pipettes | Eppendorf/Brand | single/multi chanel | |
plate reader | Tecan | M200pro | |
propidium iodide | BioLegend | 421301 | |
resazurin | VWR | B21187.06 | |
RPMI1640 cell culture media | PanbioTech | P04-16500 | |
xyz table | CNC step | HIGH-Z S-400/T |