Dokument: Effects of non-thermal atmospheric pressure plasma on human fibroblasts

Titel:	Effects of non-thermal atmospheric pressure plasma on human fibroblasts
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=55827
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210406-110657-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Jansen, Florian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,39 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 24.03.2021 / geändert 24.03.2021
Beitragende:	Prof. Dr. Suschek, Christoph V. [Gutachter] PD Dr. Mahotka, Csaba [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	A promising approach to wound treatment is local application of non-thermal “cold” atmospheric plasma (CAP), which has a disinfectant effect. However, CAP can induce cellular toxicity, which could be a major disadvantage in wound treatment. In comparison to other CAP jets that use high gas flow (>3 slm), the micro-scaled Atmospheric Pressure Plasma Jet (µAPPJ) can also be operated with a comparably low gas flow (0.25-1.40 slm), allowing the treatment of cells/tissue without excessive drying out and osmotic effects. Thus, we have studied the influence of µAPPJ on human fibroblasts—the major cell type of the dermis crucial for successful skin healing—and CAP-induced physical/chemical changes of treated buffer. By CAP treatments (0.25 slm, 10 min) of 500 µl PBS, a slight acidification (<0.2), and the increase of nitrite (161 ± 28 µM), nitrate (352 ± 60 µM) and hydrogen peroxide (124 ± 40 µM) could be observed. Using a gas flow of 1.4 slm, CAP treatment (10 min) did not show a significant decrease in pH and induced lower accumulation of nitrite (44 ± 7 µM) and nitrate (10 ± 2 µM). However, H2O2 concentrations (1265 ± 149 µM) and evaporation increased (50 % vs. 15 % using 0.25 slm). Direct and indirect CAP treatments of fibroblasts using 0.25 slm showed low toxicity (max. 20 %; 10 min). Due to the observed drying out effects, only indirect treatments using a gas flow of 1.40 slm were possible. Here, a 10 min CAP treatment followed by 5 min incubation with cells reduced viability (49 ± 29 % vs. untreated control), which could be prevented by the addition of catalase. By substitution of the evaporated water volume prior to the incubation with cells, the viability could be increased to 66 ± 19 %. In addition, cell numbers determined 4 days after indirect CAP treatments were reduced by 29 % using 0.25 slm as well as by 42 % using 1.40 slm. These effects could be partially reversed by catalase, indicating that antiproliferative effects of CAP are induced by H2O2 to a large extent. In summary, by operating the µAPPJ with different gas flows, cell responses can be modulated via the accumulation of H2O2, nitrogen oxide derivates (NOD), osmolarity and dry-out effects. In general, the µAPPJ exerts low toxicity and only longer treatment periods influence cell viability and proliferation. Regarding the necessity of low gas flows and the sterilizing effects of the generated plasma, the µAPPJ seems to be suitable for the treatment of dermal wounds. Ein vielversprechender Ansatz Wunden zu behandeln ist die Anwendung von „kalten“ Atmosphärendruckplasma (CAP), da es über ein breites antibakterielles Spektrum verfügt. CAP kann jedoch Zelltoxizität induzieren, was ein Rückschlag in der Wundforschung darstellen könnte. Im Vergleich zu anderen CAP Jets, welche über hohe Gasflussraten verfügen (>3 slm), kann der micro-scaled Atmospheric Pressure Plasma Jet (µAPPJ) mit einer niedrigeren Flussrate (0.25-1.4 slm) genutzt werden, sodass Gewebe/Zellen ohne ausgeprägte osmotische Effekte und Austrocknung behandelt werden könnten. Wir untersuchten den Einfluss des µAPPJ auf humane Fibroblasten als dominierende Zellart der Haut, denen eine entscheidende Bedeutung in der Wundheilung zukommt, sowie die chemischen/physikalischen Veränderungen von behandeltem Buffermedium. Nach der Behandlung (0.25 slm, 10 min) von 500 µl PBS zeigte sich eine Ansäuerung des pH-Wertes (<0.2), ein Anstieg der Nitrit- (161 ± 28 µM), Nitrat- (352 ± 60 µM) und der H2O2-Konzentration (124 ± 40 µM). Unter 1.4 slm CAP-Behandlung (10 min) zeigte sich zwar keine signifikante Senkung des pH-Wertes und ein niedrigerer Anstieg der Nitrit- (44 ± 7 µM) und Nitratkonzentration (10 ± 2 µM), die H2O2-Konzentration (1265 ± 149 µM) und Verdunstung (50 % vs. 15 % bei 0.25 slm) stieg jedoch an. Die direkte und indirekte Behandlung von Zellen mit 0.25 slm zeigte eine niedrige Toxizität (max. 20 %; 10 min). Aufgrund der Austrocknung waren mit 1.4 slm nur indirekte Behandlungen möglich. Hier zeigte sich nach 10 min Behandlung gefolgt von 5 min Inkubationszeit eine reduzierte Viabilität (49 ± 29 % vs. Kontrolle), die durch Katalase aufgehoben werden konnte. Unter Substitution der Verdunstung vor der Inkubation stieg die Viabilität auf 66 ± 19 %. 4 Tage nach indirekter CAP-Behandlung mittels 0.25 slm zeigte sich eine um 29 % und mittels 1.40 slm eine um 42 % reduzierte Zellzahl. Dieser Effekt konnte ebenfalls durch Katalase reduziert werden, sodass dieser vermutlich auf H2O2 beruht. Somit lässt sich die Zellreaktion durch die Flussrate, die Akkumulation von H2O2, Stickstoffmonoxid-Derivaten (NOD), der Osmolarität und Austrocknung modulieren. Die Behandlung zeigte eine niedrige Toxizität und nur längere Behandlungszeiten beeinflussten die Viabilität und Proliferation. Bezogen auf die Notwendigkeit eines niedrigen Flussrate und der sterilisierenden Effekte des CAP ist der µAPPJ ein geeignetes Gerät, um Wunden zu behandeln.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät
Dokument erstellt am:	06.04.2021
Dateien geändert am:	06.04.2021
Promotionsantrag am:	10.08.2020
Datum der Promotion:	23.03.2021