Plasma Cell Interactions in Dermatology (PlaCID)
Final Report Abstract
Einführung: Das Radikal Stickstoffmonoxid (NO) übt eine essenzielle Rolle bei der physiologischen Regulation der Wundheilung aus. Eine unphysiologisch verminderte NO-Produktion im Wundgeschehen ist mit einer gestörten Wundheilung assoziiert. Erste vorklinische Studien zur Nutzung von exogen applizierten NO zur Wundbehandlung liefern vielversprechende Ergebnisse. Aufgrund der vielen Nachteile in der Nutzung der aktuellen NO- basierten Therapieversuche mit NO-haltigen Industriegasen (Flaschengas), mit NO- freisetzenden Chemikalien (NO-Donoren) sowie undefinierten NO-haltigen Plasmen fanden diese Therapieansätze bis dato keinen Einzug in die klinische Praxis. Die Nutzung absolut kalibrierter DBD-Plasmaquellen, die NO-haltige Plasmen mit einer charakteristischen Zusammensetzung an nebenwirkungsarmen reaktiven Gasteilchen generieren und somit auch den strengen medizinischen Ansprüchen einer Wundbehandlung beim Menschen genügten, stellt einen vollkommen neuen und innovativen Ansatz in der Therapie von Wunden dar. Ziel: Im geplanten Vorhaben sollte der Einfluss neuartiger, fest definierter Luftplasmen bzw. der darin enthaltenen aktiven Spezies und reaktiven Molekülen (NO, NO2) auf biologische Parameter der Wundheilung sowie auf mögliche Nebenwirkungen im Hautgewebe untersucht werden. Ergebnisse: I.) Mit Hilfe der CLD konnten wir in dem DBD-Plasma nur sehr geringe Konzentrationen NO quantifizieren (ca. 150 ppb), jedoch relevante Mengen des NO-Derivates NO2 (ca. 200 ppm). II.) NO-Derivate des generierten Plasmas penetrieren überraschend schnell (0,1 – 0,4 nmol/min x cm2) durch die Epidermis und akkumulierten in großen Konzentrationen im menschlichen Hautgewebe. III.) Trotz des starken Eintrags von NO-Derivaten ins behandelte Gewebe konnten wir keinen negativen Einfluss bezüglich zytotoxischer oder apoptotischer Ereignisse in der menschlichen Haut beobachten, obwohl wir eindeutige Effekte des Plasmas auf die Oxidation von Proteinen sowie eine starke Generierung von Nitrotyrosin-Proteinen in der behandelten Haut detektieren konnten. Diese Befunde deuten darauf hin, dass das hier generierte Plasma keine bzw. nur wenig relevante Mengen sehr toxischer reaktiver Stickoxidspezies generiert. IV.) Trotz der scheinbar geringen NO- Konzentration des DBD-Plasmas, beobachteten wir eine ausgeprägte S-Nitroso-Thiol-Bildung in den exponierten menschlichen Hautpräparaten, was eindeutig auf die vor-Ort-Präsenz von nativem und physiologisch relevanten NO hindeutet. V.) Der Eintrag von NO2 führt zu einer lokalen und temporär begrenzten azidifizierung des behandelten Gewebes und dadurch zu eine chemischen Reaktion, die zu einer selbstständigen, enzymunabhängigen NO-Generierung in der Haut nach Plasmaexposition führt. Fazit: Das Plasma der von uns untersuchten DBD-Quelle weist keine Zytotoxizität auf, induziert keine DNA-Strangbrüche und Apoptosen im exponierten Geweben, führt aber zu einer bedeutenden Anreicherung des behandelten Hautareals mit bioaktiven NO-Derivaten, im Speziellen mit S-Nitroso-Thiolen, eine Stoffgruppe, die identische biologische und physiologische Eigenschaften Aufweist wie das NO selber. Die Plasma-bedingte Anreicherung des Hautgewebes mit NO-Derivaten führt zudem zu einer lokalen Ansäuerung des exponierten Gewebes, was zu Ausbildung eines lokal und zeitlich begrenzen NO-generierenden Systems führt, das in der Lage ist, NO-gleiche biologische Effekte zu induzieren.
Publications
- Acidification and nitrite/nitrate accumulation by non-thermal dielectric barrier discharge (DBD) affects human dermal fibroblasts. Plasma Med. 5: 71- 85, 2015
Hoffmanns MA, Demir E, Balzer J, Heuer K, Baldus S, Fuchs PC, Awakowicz P, Suschek CV, Opländer C
(See online at https://dx.doi.org/10.1615/PlasmaMed.v5.i1.60) - Grundlegende Mechanismen der lokalen Blutflussregulation durch Stickstoffmonoxid-haltige DBD-Plasmen - Kinetik und Beeinflussung hämodynamischer Parameter der transkutane Applikation von Stickstoffmonoxid (NO) invivo., 23. Workshop des ak-adp / 4. Plasmamedizin-Workshop, Göttingen, 10. - 11.06.2015
Suschek CV, Opländer C
- Non-thermal dielectric barrier discharge (DBD) effects on proliferation and differentiation of human fibroblasts are primary mediated by hydrogen peroxide. PLoS One 10:e0144968, 2015
Balzer J, Heuer K, Demir E, Hoffmanns MA, Baldus S, Fuchs PC, Awakowicz P, Suschek CV, Opländer C
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144968) - The topical use of non-thermal dielectric barrier discharge (DBD): nitric oxide related effects on human skin. Nitric Oxide – Biol. Ch. 44: 52-60, 2015
Heuer K, Hoffmanns MA, Demir E, Baldus S, Volkmar CM, Röhle M, Fuchs PC, Awackowicz P, Windolf J, Suschek CV, Opländer C
(See online at https://doi.org/10.1016/j.niox.2014.11.015) - The application of cold atmospheric plasma in medicine: The potential role of nitric oxide in plasma-induced effects. Clin. Plasma Med. 4: 1-8, 2016
Suschek CV, Opländer, C
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cpme.2016.05.001)
