Investigation of the Roles of Plasma Species Generated by Surface Dielectric Barrier Discharge

Abstract

As an emerging sterilization technology, cold atmospheric plasma offers a dry, non-thermal, rapid process that is minimally damaging to a majority of substrates. However, the mechanisms by which plasma interacts with living cells are poorly understood and the plasma generation apparatuses are complex and resource-intensive. In this study, the roles of reactive oxygen species (ROS), nitric oxide (NO), and charged particles (ions) produced by surface dielectric barrier discharge (SDBD) plasma on prokaryotic (Listeria monocytogenes (Gram-positive)) and eukaryotic (human umbilical vein endothelial cells (HUVEC)) cellular function were evaluated. HUVEC and bacterial oxidative stress responses, the accumulation of nitrite in aqueous media, air ion density, and bacterial inactivation at various distances from SDBD actuators were measured. SDBD actuator designs were also varied in terms of electrode number and length to evaluate the cellular effects of plasma volume and power distribution. NO and ions were found to contribute minimally to the observed cellular effects, whereas ROS were found to cause rapid bacterial inactivation, induce eukaryotic and prokaryotic oxidative stress, and result in rapid oxidation of bovine muscle tissue. The results of this study underscore the dominance of ROS as the major plasma generated species responsible for cellular effects, with ions and RNS having a secondary, complimentary role.

Impact of ROS Generated by Chemical, Physical, and Plasma Techniques on Cancer Attenuation

“…A novel interdisciplinary field called “plasma medicine” has been created, concerning the generation of plasma at atmospheric pressure with room temperatures for treating living cells, DNA, and life science targets [20]. Non-thermal plasma produces various reactive species that can be used to enhance the oxidative stress of cancer cells and eventually kill cancer cells [21,22,23]. Diverse ROS can be generated in plasma, and some may increase the oxidative stress of cells [24].…”

Chemical mechanisms of non-thermal plasma action on cells

“…- [25]. В этой связи большое количество работ посвящено изучению влияния свободных радикалов, генерируемых ХП, на аминокислоты, белки, липиды, углеводы, а также клеточные мембраны и органеллы, что позволяет сформулировать несколько ключевых закономерностей реализации эффектов ХП в живых системах: 1) вклад реактивных форм кислорода и реактивных форм азота в окислительную модификацию биологических молекул может существенно отличаться, в зависимости от условий формирования разряда его типа и мощности, от того, в какой фазе образуются активные соединения (газовая фаза или раствор); 2) спектр индуцируемых ХП модификаций органических биомолекул очень широк, например, в аминокислотах ХП вызывает гидроксилирование и нитрирование ароматических групп, сульфонирование и образование дисульфидных связей, что приводит к преимущественной деградации ароматических и S-содержащих аминокислот в белках, обработанных ХП; 3) влияние активных форм кислорода и азота, генерируе-мых ХП, на структурные изменения в биомакромолекулах существенно отличаются, например, в отношении гемопротеидов наиболее актуальны эффекты активных форм кислорода и азота, тогда как образование азотной кислоты обеспечивает существенное снижение рН и тем самым косвенно облегчают реализацию эффектов активных форм кислорода и азота; 4) биологические эффекты ХП могут существенным образом изменяться в присутствии металлов с переменной валентностью, в частности, железа, что актуализирует роль свободного железа в тканях (высвобождающегося во внеклеточное пространство при разрушении клеток и усиленной деградации гемопротеидов) при действии ХП; 5) требуется различать «изолированные» эффекты каждой из активных форм кислорода и азота, генерируемых при действии ХП, в отношении какого-либо одного класса биомакромолекул, так как суммарным результатом их действия является нарушение конформации белков, индукция перекисного окисления липидов, полимеризация углеводов и окислительное повреждение нуклеиновых кислот; выяснение указанных различий необходимо для того, чтобы знать, какие сигнальные пути будет затрагивать ХП или какой компонент ХП вносит больший вклад в модификацию структуры той или иной биомолекулы; 6) не менее сложной проблемой является оценка вклада различных продуктов ХП в биологический ответ, например, считается, что противоопухолевая активность в большей степени определяется перекисью водорода, но не NO 2 − , тогда как бактерицидная активность связана преимущественно с ON-OO -, а не озоном; 7) ответ клеток на действие ХП определяется сохранностью функции митохондрий: клетки с митохондриальной дисфункцией более чувствительны к эффектам свободных радикалов, образующихся в ткани при действии ХП; 8) при действии свободных радикалов, генерируемых во внеклеточной среде, клетки начинают продуцировать эндогенные активные формы кислорода и азота, что, вероятнее всего, определяет эффект ХП на клетки [5,6,10,11,13,[26][27][28].…”

A Critical Review on Selected External Physical Cues and Modulation of Cell Behavior: Magnetic Nanoparticles, Non-thermal Plasma and Lasers

“…The most serious problem represent that the exact mechanism is still not completely understood. Moreover, the effects of direct plasma treatment on the living cells range from the growth promoting response to apoptosis or even necrosis [129,150,151,152,153,154]. Thus, the dose, technical and physical parameters are crucial in plasma treatment.…”