Témata prací (Výběr práce)Témata prací (Výběr práce)(verze: 336)
Detail práce
   Přihlásit přes CAS
Alteration of the redox signalling in liver cancer cells by non-thermal plasma and laser irradiation
Název práce v češtině: Změna redoxní signalizace v buňkách rakoviny jater působením nízkoteplotního plazmatu a laserového ozařování
Název v anglickém jazyce: Alteration of the redox signalling in liver cancer cells by non-thermal plasma and laser irradiation
Klíčová slova: Buněčné linie rakoviny hepatocytů|nízkoteplotní plazma|laserové ozařování|oxidační stres|redoxní signalizace
Klíčová slova anglicky: hepatic cancer cells|non-thermal plasma|laser irradiation|oxidative stress|redox signalling
Akademický rok vypsání: 2017/2018
Typ práce: disertační práce
Jazyk práce: angličtina
Ústav: Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. (32-FZUAV)
Vedoucí / školitel: Mgr. Oleg Lunov, Ph.D.
Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
Datum přihlášení: 20.09.2017
Datum zadání: 20.09.2017
Datum potvrzení stud. oddělením: 04.10.2017
Datum a čas obhajoby: 25.05.2022 09:30
Datum odevzdání elektronické podoby:28.03.2022
Datum odevzdání tištěné podoby:29.03.2022
Datum proběhlé obhajoby: 25.05.2022
Oponenti: prof. Nadezhda Bulgakova, Ph.D.
  Ing. Ognen Pop-Georgievski, Ph.D.
 
 
Zásady pro vypracování
Bude upřesněno
Seznam odborné literatury
Selected Literature on Non-thermal Plasma Theme:
1. Laroussi, M., From killing bacteria to destroying cancer cells: 20 years of plasma medicine. Plasma Process. Polym., 2014. 11(12): p. 1138-1141.
2. Kong, M.G., et al., Plasma medicine: an introductory review. New J. Phys., 2009. 11(11): p. 115012.
3. De Geyter, N. and R. Morent, Nonthermal plasma sterilization of living and nonliving surfaces. Annu. Rev. Biomed. Eng., Vol 14, 2012. 14: p. 255-274.
4. Scholtz, V., et al., Nonthermal plasma - A tool for decontamination and disinfection. Biotechnol. Adv., 2015. 33(6 Pt 2): p. 1108-19.
5. Lunov, O., et al., The interplay between biological and physical scenarios of bacterial death induced by non-thermal plasma. Biomaterials, 2016. 82: p. 71-83.
6. Kang, S.U., et al., Nonthermal plasma induces head and neck cancer cell death: the potential involvement of mitogen-activated protein kinase-dependent mitochondrial reactive oxygen species. Cell Death Dis., 2014. 5: p. e1056.
7. Volotskova, O., et al., Targeting the cancer cell cycle by cold atmospheric plasma. Sci. Rep., 2012. 2: p. 636.
8. Duske, K., et al., Cold atmospheric plasma in combination with mechanical treatment improves osteoblast growth on biofilm covered titanium discs. Biomaterials, 2015. 52: p. 327-334.
9. Kaushik, N.K., et al., Low doses of PEG-coated gold nanoparticles sensitize solid tumors to cold plasma by blocking the PI3K/AKT-driven signaling axis to suppress cellular transformation by inhibiting growth and EMT. Biomaterials, 2016. 87: p. 118-130.
10. Ahlfeld, B., et al., Inactivation of a Foodborne Norovirus Outbreak Strain with Nonthermal Atmospheric Pressure Plasma. mBio, 2015. 6(1): p. e02300.

Selected Literature on Non-thermal Plasma Theme (published by Biophysics group of Institute of Physics, ASCR):
1. Lunov, O., et al., Cell death induced by ozone and various non-thermal plasmas: therapeutic perspectives and limitations. Sci. Rep., 2014. 4: p. 7129.
2. Lunov, O., et al., Non-thermal plasma mills bacteria: Scanning electron microscopy observations. Appl. Phys. Lett., 2015. 106(5): p. 053703.
3. Lunov, O., et al., The interplay between biological and physical scenarios of bacterial death induced by non-thermal plasma. Biomaterials, 2016. 82: p. 71-83.
4. Lunov, O., et al., Towards the understanding of non-thermal air plasma action: effects on bacteria and fibroblasts. RSC Adv., 2016. 6: p. 25286.
5. Zablotskii, V., et al., Multijet atmospheric plasma device for biomedical applications. Plasma Medicine, 2011. 1(2): p. 135-141.
Předběžná náplň práce
V posledních letech bylo provedeno velké množství studií s různými biomedicínskými aplikacemi nízkoteplotního (chladného) plazmatu při atmosférickém tlaku, při kterých se pokročilo na úroveň, kdy by bylo možné využít nízkoteplotní plazma (NTP) pro klinickou aplikaci [1]. Velké rozšíření těchto výzkumných aktivit týkajících se nízkoteplotního plazmatu, prokázal rychlý vývoj a velký potenciál tohoto nového interdisciplinárního oboru [1-3]. Nízkoteplotní plazma, tento nový inovativní přístup v medicíně, již ukázalo velký potenciál v celé řadě biologických a lékařských aplikací, jako jsou hojení ran [4, 5], srážení krve [6], potlačení angiogeneze [7], léčbu rakoviny [8, 9] a deaktivace mikroorganismů [10, 11]. Ve skutečnosti, nízkoteplotní plazma prokázalo velký potenciál a slibný vývoj hojení ran již v několika klinických studiích [12-15]. Nicméně, nízkoteplotní plazma je relativně nový přístup v biomedicíně a je třeba dokázat, jestli může splnit vysoké nároky v systémech vědecky podložené kontrolované zdravotní péče [16].
Již dříve jsme ukázali, že při léčbě plazmatem mohou být tuhé bakteriální stěny narušeny v důsledku zvýšeného vnitřního elektrostatického tlaku následkem nahromadění iontů [17]. Naše i další studie, již dříve prokázaly, že nízkoteplotní plazma může vyvolat velmi významnou rupturu vnější membrány [18-20], která vede k úplnému zničení bakterií [17, 21]. Kromě toho jsme v našich předchozích pracích ukázali, že v závislosti na době působení vyvolává heliové plazma buď přímé fyzické zničení bakterií, nebo spouští programovou buněčnou smrt prostřednictvím akumulace ROS [17, 21]. Důležité je, jak naše nedávná studie zdůraznila, že rozsah biologické odpovědi na NTP se může výrazně fenotypově lišit v odlišných buněčných liniích [22]. Také jsme ukázali, že chemické složení plazmatu může spouštět různé reakce v savčích buňkách [22].
Je zde třeba zmínit, že zatím ne všechny studie o interakci NTP se živými buňkami systematicky zkoumaly vliv chemického složení a hodnoty napětí plazmatu na diferenciaci, proliferaci a apoptózu buněk a tkání. Rovněž neobjasnily, zda jsou tyto účinky specifické pro buněčný typ, zda jsou závislé na vychytávání ROS / RNS do buněk či zda klíčovou roli hraje interakce NTP s povrchem buněk. Často nebyly zkoumány ani klíčové molekulární determinanty interakce buňky s NTP. Informace o dlouhodobých fyziologických a patofyziologických důsledcích interakce NTP s ranami v podstatě chybí. Z tohoto důvodu je nezbytný základní výzkum, v němž budou všechny parametry interakce rána-NTP systematicky studovány a bude posouzen jejich biologický význam.
Literature:
1. Laroussi, M., From killing bacteria to destroying cancer cells: 20 years of plasma medicine. Plasma Process. Polym., 2014. 11(12): p. 1138-1141.
2. Kong, M.G., et al., Plasma medicine: an introductory review. New J. Phys., 2009. 11(11): p. 115012.
3. De Geyter, N. and R. Morent, Nonthermal plasma sterilization of living and nonliving surfaces. Annu. Rev. Biomed. Eng., Vol 14, 2012. 14: p. 255-274.
4. Lee, D.H., et al., Suppression of scar formation in a murine burn wound model by the application of non-thermal plasma. Appl. Phys. Lett., 2011. 99(20): p. 203701.
5. Isbary, G., et al., Cold atmospheric argon plasma treatment may accelerate wound healing in chronic wounds: Results of an open retrospective randomized controlled study in vivo. Clinical Plasma Medicine, 2013. 1(2): p. 25-30.
6. Fridman, G., et al., Applied plasma medicine. Plasma Process. Polym., 2008. 5(6): p. 503-533.
7. Gweon, B., et al., Suppression of angiogenesis by atmospheric pressure plasma in human aortic endothelial cells. Appl. Phys. Lett., 2014. 104(13): p. 133701
8. Kang, S.U., et al., Nonthermal plasma induces head and neck cancer cell death: the potential involvement of mitogen-activated protein kinase-dependent mitochondrial reactive oxygen species. Cell Death & Disease, 2014. 5: p. e1056.
9. Panngom, K., et al., Preferential killing of human lung cancer cell lines with mitochondrial dysfunction by nonthermal dielectric barrier discharge plasma. Cell Death & Disease, 2013. 4: p. e642.
10. Matthes, R., et al., Antimicrobial Efficacy of Two Surface Barrier Discharges with Air Plasma against In Vitro Biofilms. Plos One, 2013. 8(7): p. e70462.
11. Ehlbeck, J., et al., Low temperature atmospheric pressure plasma sources for microbial decontamination. J. Phys. D Appl. Phys., 2011. 44(1): p. 013002.
12. Isbary, G., et al., A first prospective randomized controlled trial to decrease bacterial load using cold atmospheric argon plasma on chronic wounds in patients. Brit. J. Dermatol., 2010. 163(1): p. 78-82.
13. Ulrich, C., et al., Clinical use of cold atmospheric pressure argon plasma in chronic leg ulcers: A pilot study. J. Wound Care, 2015. 24(5): p. 196-203.
14. Daeschlein, G., et al., Skin and wound decontamination of multidrug-resistant bacteria by cold atmospheric plasma coagulation. JDDG, 2015. 13(2): p. 143-149.
15. Isbary, G., et al., Successful and safe use of 2 min cold atmospheric argon plasma in chronic wounds: results of a randomized controlled trial. Brit. J. Dermatol., 2012. 167(2): p. 404-410.
16. Sackett, D.L., et al., Evidence based medicine: what it is and what it isn't. BMJ, 1996. 312(7023): p. 71-72.
17. Lunov, O., et al., Non-thermal plasma mills bacteria: Scanning electron microscopy observations. Appl. Phys. Lett., 2015. 106(5): p. 053703.
18. Mendis, D.A., M. Rosenberg, and F. Azam, A note on the possible electrostatic disruption of bacteria. IEEE T. Plasma Sci., 2000. 28(4): p. 1304-1306.
19. Laroussi, M., D.A. Mendis, and M. Rosenberg, Plasma interaction with microbes. New J. Phys., 2003. 5(1): p. 41.
20. Laroussi, M., J.P. Richardson, and F.C. Dobbs, Effects of nonequilibrium atmospheric pressure plasmas on the heterotrophic pathways of bacteria and on their cell morphology. Appl. Phys. Lett., 2002. 81(4): p. 772-774.
21. Lunov, O., et al., The interplay between biological and physical scenarios of bacterial death induced by non-thermal plasma. Biomaterials, 2016. 82: p. 71-83.
22. Lunov, O., et al., Cell death induced by ozone and various non-thermal plasmas: therapeutic perspectives and limitations. Sci. Rep., 2014. 4: p. 7129.
Předběžná náplň práce v anglickém jazyce
In recent years, a large number of studies on various biomedical applications of non-thermal (cold) atmospheric pressure plasmas have progressed to a level that makes it feasible to specifically design, manufacture, and characterize non-thermal plasmas (NTP) suitable for clinical applications [1]. Such burst of research activities on non-thermal plasma demonstrated a fast evolution and a great potential of this new interdisciplinary field [1-3]. Non-thermal plasma, a new innovative approach in medicine, has already shown great potential in a wide range of biological and medical applications, such as wound healing [4, 5], blood coagulation [6], angiogenesis suppression [7], and cancer treatment [8, 9], and microorganisms deactivation [10, 11]. Indeed, non-thermal plasma has shown great potential and promises for wound healing already in several clinical trials [12-15]. However, non-thermal plasma is relatively new approach in biomedicine and needs to prove if it can meet the high expectations in evidence based medicine controlled health care systems [16].
We previously showed that under plasma treatment mechanically rigid bacterial wall structures could be destroyed due to internal electrostatic pressure raised due to accumulated ions [17]. Others and we have previously demonstrated that non-thermal plasma can induce a very significant rupture of the outer membrane [18-20] that leads to complete destruction of the bacteria [17, 21]. Moreover, in our previous works we showed that depending on the exposure time, helium plasma induces either direct physical destruction of bacteria or triggers programmed cell death via accumulation of intra-bacterial ROS [17, 21]. Importantly, our recent study emphasized that the extent of biological responses to NTP may grossly differ between phenotypically distinct cell lines [22]. Also, we showed that chemically distinct plasmas trigger different responses in mammalian cells [22].
It is worth mentioning here, that so far all studies on NTP-living cell interaction did not systematically investigate the influence of chemical composition and voltage value producing the plasma discharges on differentiation, proliferation, and apoptosis of cells and tissues. These studies did neither elucidate if these effects are cell type specific, if they depend on the uptake of the ROS/RNS into the cells or if interaction with the cell surface plays crucial role. Moreover, the key molecular determinants of NTP-cell interaction have most often not been explored. In fact, information concerning the long-term physiological and pathophysiological consequences of the wound-NTP interaction is basically lacking. Therefore, a fundamental investigation is required in which all these wound-NTP interaction parameters are systematically studied and the biological impact is assessed.

Literature:
1. Laroussi, M., From killing bacteria to destroying cancer cells: 20 years of plasma medicine. Plasma Process. Polym., 2014. 11(12): p. 1138-1141.
2. Kong, M.G., et al., Plasma medicine: an introductory review. New J. Phys., 2009. 11(11): p. 115012.
3. De Geyter, N. and R. Morent, Nonthermal plasma sterilization of living and nonliving surfaces. Annu. Rev. Biomed. Eng., Vol 14, 2012. 14: p. 255-274.
4. Lee, D.H., et al., Suppression of scar formation in a murine burn wound model by the application of non-thermal plasma. Appl. Phys. Lett., 2011. 99(20): p. 203701.
5. Isbary, G., et al., Cold atmospheric argon plasma treatment may accelerate wound healing in chronic wounds: Results of an open retrospective randomized controlled study in vivo. Clinical Plasma Medicine, 2013. 1(2): p. 25-30.
6. Fridman, G., et al., Applied plasma medicine. Plasma Process. Polym., 2008. 5(6): p. 503-533.
7. Gweon, B., et al., Suppression of angiogenesis by atmospheric pressure plasma in human aortic endothelial cells. Appl. Phys. Lett., 2014. 104(13): p. 133701
8. Kang, S.U., et al., Nonthermal plasma induces head and neck cancer cell death: the potential involvement of mitogen-activated protein kinase-dependent mitochondrial reactive oxygen species. Cell Death & Disease, 2014. 5: p. e1056.
9. Panngom, K., et al., Preferential killing of human lung cancer cell lines with mitochondrial dysfunction by nonthermal dielectric barrier discharge plasma. Cell Death & Disease, 2013. 4: p. e642.
10. Matthes, R., et al., Antimicrobial Efficacy of Two Surface Barrier Discharges with Air Plasma against In Vitro Biofilms. Plos One, 2013. 8(7): p. e70462.
11. Ehlbeck, J., et al., Low temperature atmospheric pressure plasma sources for microbial decontamination. J. Phys. D Appl. Phys., 2011. 44(1): p. 013002.
12. Isbary, G., et al., A first prospective randomized controlled trial to decrease bacterial load using cold atmospheric argon plasma on chronic wounds in patients. Brit. J. Dermatol., 2010. 163(1): p. 78-82.
13. Ulrich, C., et al., Clinical use of cold atmospheric pressure argon plasma in chronic leg ulcers: A pilot study. J. Wound Care, 2015. 24(5): p. 196-203.
14. Daeschlein, G., et al., Skin and wound decontamination of multidrug-resistant bacteria by cold atmospheric plasma coagulation. JDDG, 2015. 13(2): p. 143-149.
15. Isbary, G., et al., Successful and safe use of 2 min cold atmospheric argon plasma in chronic wounds: results of a randomized controlled trial. Brit. J. Dermatol., 2012. 167(2): p. 404-410.
16. Sackett, D.L., et al., Evidence based medicine: what it is and what it isn't. BMJ, 1996. 312(7023): p. 71-72.
17. Lunov, O., et al., Non-thermal plasma mills bacteria: Scanning electron microscopy observations. Appl. Phys. Lett., 2015. 106(5): p. 053703.
18. Mendis, D.A., M. Rosenberg, and F. Azam, A note on the possible electrostatic disruption of bacteria. IEEE T. Plasma Sci., 2000. 28(4): p. 1304-1306.
19. Laroussi, M., D.A. Mendis, and M. Rosenberg, Plasma interaction with microbes. New J. Phys., 2003. 5(1): p. 41.
20. Laroussi, M., J.P. Richardson, and F.C. Dobbs, Effects of nonequilibrium atmospheric pressure plasmas on the heterotrophic pathways of bacteria and on their cell morphology. Appl. Phys. Lett., 2002. 81(4): p. 772-774.
21. Lunov, O., et al., The interplay between biological and physical scenarios of bacterial death induced by non-thermal plasma. Biomaterials, 2016. 82: p. 71-83.
22. Lunov, O., et al., Cell death induced by ozone and various non-thermal plasmas: therapeutic perspectives and limitations. Sci. Rep., 2014. 4: p. 7129.
 
Univerzita Karlova | Informační systém UK