Leczenie Raka Za Pomocą Plazmy – Nowa Innowacyjna Metoda

Niniejszy prospekt przedstawia kilka nowych pomysłów dotyczących zastosowania plazmy w medycynie. W szczególności adaptacja parametrów plazmy może pozwolić na modyfikację składu chemicznego plazmy w czasie rzeczywistym w celu optymalizacji wpływu plazmy na komórki nowotworowe i prawidłowe. Obecnie istnieją przekonujące dowody na to, że efekty plazmy mogą odgrywać ważną rolę w terapii nowotworów. Bardzo ważnymi aspektami są między innymi zrozumienie samoorganizacji wyładowań plazmowych, mechanizmów napędzających przejście między różnymi wzorcami wyładowań oraz rozwój urządzeń plazmowych posiadających wiele trybów wyładowań.

Plazma – co to i jak działa

Zimna plazma atmosferyczna (CAP) pojawia się jako potencjalna nowa metoda leczenia raka. W szerszym ujęciu, CAP została przetestowana w różnych zastosowaniach, takich jak dezynfekcja, gojenie ran, stomatologia i terapia nowotworów.^1-6 Wysoki poziom zrozumienia interakcji CAP z komórkami i tkankami zależy od tego, że elementy chemiczne CAP są potencjalnie toksyczne, takie jak reaktywne formy tlenu (ROS), które mogą promować „efekt zabijania plazmy”, podczas gdy inne, takie jak reaktywne formy azotu (RNS), mogą wywoływać efekt „gojenia plazmy”. Tworzenie różnych kombinacji tych gatunków może zapewnić duży potencjał aktywacji określonych szlaków sygnałowych w komórkach.

Leczenie CAP ma potężne zdolności śmiertelne przeciwko komórkom nowotworowym zarówno in vitro, jak i in vivo. A co równie ważne, wykazano, że normalne komórki odpowiednika są mniej wrażliwe na to samo leczenie CAP.⁷ Uważa się, że wszystkie te wyżej wymienione efekty są związane ze składem chemicznym osocza. Podczas gdy w wyniku obróbki plazmą wytwarzane są różne gatunki, rola innych efektów plazmy. Takich jak naładowane cząstki i pole elektryczne, nadal pozostaje nieuchwytna.

To, co czyni plazmę wyjątkową, to jej zdolność do samoorganizacji i tworzenia spójnych struktur. Te spójne struktury mogą natychmiast modulować pole elektryczne, ROS/RNS i naładowane cząstki. Tak więc, w wyniku samoorganizacji, możliwe jest dostosowanie plazmy do określonych komórek poprzez dostosowanie jej składu in situ. Ta unikalna cecha sprawia, że interakcja plazmy z komórkami jest z natury selektywna.

Nagroda Ronalda C. Davidsona w dziedzinie fizyki plazmy w 2017 r. została przyznana w uznaniu rozwijającej się dziedziny medycyny plazmowej. A w szczególności zastosowania plazmy w terapii nowotworów. Jednak mechanizm działania plazmy i dokładna rola efektu plazmy w leczeniu raka są nadal przedmiotem intensywnych badań. Analiza potencjalnie ważnych efektów plazmy jest kluczowym celem niniejszego prospektu.

Mechanizm działania CAP

Działanie CAP na żywą tkankę przypisuje się powstawaniu ROS i RNS. Sugeruje się, że RON/RNS (lub RONS) wytwarzane przez plazmę są związane z efektami chemicznymi, fotodynamicznymi i radiacyjnymi. Wiele RONS generowanych w plazmie jest również aktywnymi składnikami w biologii komórki.⁸ Argumentowano, że analogia między komórkowymi i generowanymi przez plazmę RONS stanowi główną logikę zastosowania plazmy w medycynie. W tym w terapii nowotworów, oraz że wiele gatunków wytwarzanych bezpośrednio lub pośrednio przez plazmę będzie funkcjonować w biologii komórki jako gatunki endogenne.⁸ RONS odgrywają centralną rolę w biologii „redoks” lub utleniania-redukcji.

Jako przykład rozważmy komórkę nowotworową, której nieprawidłowy metabolizm powoduje nieprawidłowy wysoki poziom ROS.¹¹ Aby przetrwać, komórka nowotworowa mutuje, aby regulować ROS. Jednak podniesienie wewnątrzkomórkowego poziomu ROS może spowodować nieodwracalne uszkodzenie DNA.^12,13 Przypomnijmy, że poziom ROS w komórkach nowotworowych jest bliski granicy, przy której następuje śmierć komórki. Jednocześnie poziom ROS w odpowiadających im prawidłowych komórkach jest na ogół niższy.¹³ Tak więc selektywność wobec komórek nowotworowych osiąga się, gdy terapia przeciwnowotworowa wytwarza ROS w pobliżu „progu” między poziomami ROS w normalnych komórkach i komórkach nowotworowych.

Ostatnie postępy w wykorzystaniu plazmy

W tej sekcji krótko opisujemy użyteczność zastosowania CAP w leczeniu raka na przykładzie terapii guza mózgu. Aby zbadać wpływ CAP na guza mózgu, opracowano urządzenie micro-CAP. Urządzenie to zostało bezpośrednio zastosowane do guza glejaka poprzez wykorzystanie wszczepionego endoskopowego systemu dostarczania, jak pokazano na ryc. 5.²⁷Objętość guza oceniano za pomocą obrazowania bioluminescencyjnego w czasie rzeczywistym [jak pokazano na ryc. 5(b)]. Eksperymenty te sugerowały, że objętość guza w przypadku kontroli (tj. leczenia wyłącznie helem) wzrosła o około 600% po dwóch dniach. Jednocześnie leczenie CAP doprowadziło do zmniejszenia objętości guza o około 50%

Samoorganizacja plazmy – co to

We wstępie wspomniano, że adaptacja plazmy stanowi unikalną platformę do optymalizacji potencjału terapeutycznego plazmy. W tym celu, tworzenie spójnych struktur plazmy w plazmie może umożliwić adaptację do zewnętrznie narzuconych warunków. Takich jak różne typy komórek i tkanek. Adaptacja plazmy do określonych komórek poprzez dostosowanie jej składu in situ może być możliwa dzięki samoorganizacji plazmy. W tej sekcji omówimy pokrótce samoorganizację plazmy.

W przyrodzie istnieje wiele różnych wzorów i spójnych struktur. Obejmują one zarówno mikroskopijne organizmy, jak i galaktyki. Nadrzędną zasadę napędzającą różne formacje wzorów można przypisać tak zwanej „zasadzie samoorganizacji”.²⁸ Zgodnie z tą zasadą każdy dynamiczny system ewoluuje w kierunku stanu równowagi.²⁹ Wskazano, że systemy w stanie nierównowagi, w których dochodzi do wymiany energii i materii, mogą wykazywać spontaniczną samoorganizację.³⁰ I. Prigogine w wykładzie noblowskim zasugerował, że samoorganizacja reakcji chemicznej może wystąpić tak, że rozkład reaktywnych cząstek w pobliżu niestabilności nie jest przypadkowy.³¹ Innymi słowy, zasugerowano, że „chaos rodzi porządek!”³¹.

Wiadomo, że plazmy mogą również podlegać samoorganizacji, tj. spontanicznemu przejściu ze stanu o jednorodnym rozkładzie do wzoru.³² W rzeczywistości udokumentowano wiele przykładów samoorganizacji wyładowań, w tym wyładowania z barierą dielektryczną,³³ wyładowania wysokiej częstotliwości,³⁴ wyładowania stabilizowane przepływem gazu,³⁵ wyładowania stabilizowane rezystancyjnie,³⁶ i różne wyładowania z ciekłymi elektrodami.³⁷ W niedawnym przeglądzie podsumowano tworzenie się wzorów w wyładowaniach i ich związek ze zjawiskami w pobliżu elektrod.³⁸

Jednym z najbardziej znanych i szeroko stosowanych modeli teoretycznych opisujących samoorganizację jest model reakcyjno-dyfuzyjny. W rzeczywistości model ten został wykorzystany do opisania różnych wzorców w wyładowaniach elektrycznych (patrz Ref. 38 i odnośniki tam zawarte). Bardziej zaawansowane modele oparte są na podejściu dryfu-dyfuzji. Takie podejścia pozwalają na fizyczny opis samoorganizacji wyładowań. Na przykład zbadano obliczeniowo tworzenie się wzorów w wyładowaniach jarzeniowych i łukowych przy użyciu przybliżenia 2D dryf-dyfuzja.^39,40 W tym celu zastosowano średnią gęstość prądu jako parametr kontrolny w przypadku wyładowania jarzeniowego.

Niedawny przykład samoorganizacji i zastosowania w leczeniu nowotworów

Samoorganizacja w różnych trybach wyładowania była przedmiotem ostatnich badań.⁴¹ Wykazano, że na granicy faz plazma-ciecz mogą powstawać złożone struktury zależne od prądu wyładowania, jak pokazano na rys. 6 (ref. 41). Można zauważyć, że w tym konkretnym układzie zmiany prądu wyładowania napędzają tworzenie się wzoru nad wodą dioinizowaną (DI). Przypomnijmy, że można zauważyć cztery konkretne typy trybów rozładowania. W szczególności etap I to wyładowanie niskoprądowe (wyładowanie jarzeniowe) z pojedynczym żarnikiem. Wzrost prądu wyładowania (etap II) prowadzi do wzrostu temperatury katody wolframowej i wysokiego promieniowania cieplnego [patrz rys. 6(c)]. Etap III jest niestabilnym stanem pośrednim, w którym wyładowanie oscyluje między dwoma etapami (II i IV), wykazując albo wysokie promieniowanie cieplne (typowe dla etapu II), albo wzór wielożarowy (typowy dla etapu IV). Zaobserwowano, że wyładowanie wielowłókienkowe (etap IV) jest ogólnie stabilne.

Należy podkreślić, że analizowano wpływ różnych trybów wyładowania na produkcję RONS i wynikające z tego leczenie komórek nowotworowych (ref. 36 i 42). Zaobserwowano, że selektywne leczenie raka jest możliwe w niektórych warunkach wyładowania (ref. 41). Wykorzystując przejście między trybami wyładowania, można wyobrazić sobie możliwość kontrolowania leczenia za pomocą plazmy i dostosowania leczenia plazmą do określonego obszaru lub określonego typu komórek.

Adaptacyjne leczenie plazmą

W tym miejscu przedstawiamy nowe możliwe pomysły związane z proponowanym adaptacyjnym CAP (ACAP), jak pokazano schematycznie na rys. 7. Urządzenie ACAP polega na monitorowaniu w czasie rzeczywistym interakcji plazmy z żywą tkanką i dostosowywaniu parametrów plazmy w oparciu o mechanizm sprzężenia zwrotnego.^43,44 Kontrola sprzężenia zwrotnego urządzenia plazmowego i zarządzane dostarczanie dawki plazmy zostały opisane w niedawnym artykule.⁴⁵ 

W wyniku zróżnicowanego działania ACAP na komórki nowotworowe i prawidłowe, może być możliwe zarządzanie selektywnym leczeniem plazmą komórek nowotworowych. Schematyczną koncepcję ACAP przedstawiono na rycinie 7, na której zilustrowano zarówno adaptacje bezpośrednie, jak i oparte na sprzężeniu zwrotnym. W przypadku bezpośredniego sprzężenia zwrotnego lub samoadaptacji, interakcja plazmy z komórkami może prowadzić do samoorganizacji poprzez przejście między różnymi trybami wyładowania.⁴¹ Jako przykład ACAP opartego na sprzężeniu zwrotnym, ostatnie ^prace46 wykorzystały test ^RealTimeTM i dostarczyły dowodów na to, że odpowiedź komórkowa na leczenie plazmą może być monitorowana w czasie rzeczywistym, co jest prekursorem adaptacji.

Należy podkreślić, że plazmy o stałych i dobrze scharakteryzowanych właściwościach dobrze nadają się do adaptacyjnego podejścia poprzez mechanizm sprzężenia zwrotnego opisany powyżej. Z drugiej strony, podejście samoadaptacyjne opiera się wyłącznie na samoorganizacji wyładowań plazmowych w wyniku interakcji z różnymi komórkami i tkankami. Należy zauważyć, że systemy nierównowagowe są silnie nieliniowe. W związku z tym oczekuje się, że w odpowiedzi na niewielką zmianę parametrów zewnętrznych wystąpią znaczące zmiany parametrów plazmy. Rzeczywiście, można to postrzegać jako ważny atut, a samoorganizacja plazmy otwiera możliwość zastosowania w medycynie. W związku z tym konieczny jest znaczny postęp w naszym rozumieniu samoorganizacji plazmy i związanej z nią chemii plazmy, a badania w tym kierunku są uzasadnione.

Perspektywy leczenia plazmą

Unikalność osocza wykorzystuje się w adaptacyjnej platformie terapeutycznej. Kilka aspektów takiego systemu, w tym modulacja składu chemicznego plazmy, kontrola trybu wyładowania i wydajny system sprzężenia zwrotnego, wymaga szczegółowej analizy. W tym celu niezwykle ważne jest rejestrowanie składu chemicznego plazmy in situ przy użyciu technik nieinwazyjnych. Takie podejścia mogą opierać się na wystarczająco czułej diagnostyce laserowej, takiej jak laserowo indukowana fluorescencja.

Podejście biomedyczne oparte na adaptacyjnej zimnej plazmie atmosferycznej może potencjalnie zrewolucjonizować terapię poprzez wprowadzenie spersonalizowanego leczenia. Pomysł polega na tym, że leczenie medyczne dostosowuje się do specyfiki związanej z genetycznym składem pacjenta. Stosując dowolny lek, w tym plazmę, można oczekiwać unikalnej odpowiedzi zależnej od genotypu danej osoby. W związku z tym, w przypadku leczenia osoczem, ten sam skład osocza może prowadzić do innej odpowiedzi. Odpowiedź tą dostosowuje się i ukierunkowuje się poprzez wykorzystanie adaptacyjnego podejścia do osocza opisanego powyżej.

Należy przyznać, że dalszy postęp w stosowaniu plazmy w medycynie wymaga znacznego wysiłku w zrozumieniu mikrobiologii, chemii i inżynierii indukowanej plazmą. Oczywiste jest jednak, że fizyka plazmy odgrywa ważną rolę we wspieraniu takiego postępu. W szczególności należy wziąć pod uwagę zrozumienie samoorganizacji wyładowań plazmowych, mechanizmów napędzających przejście między różnymi wzorcami wyładowań. Oraz rozwój urządzeń plazmowych posiadających wiele trybów wyładowań.