Комбинирование воздействия холодной атмосферной плазменной струи и наночастиц для повышения эффективности плазменной противоопухолевой терапии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-49-08003

НазваниеКомбинирование воздействия холодной атмосферной плазменной струи и наночастиц для повышения эффективности плазменной противоопухолевой терапии

Руководитель Швейгерт Ирина Вячеславовна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №62 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (MOST)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-302 - Корпускулярные, плазменные и лучевые источники для исследований и практики

Ключевые слова Низкотемпературная атмосферная плазменная струя, источники плазмы, нанобиотехнология, раковые клетки, селективность, биомедицинские микросистемы

Код ГРНТИ29.27.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Высокая смертность от рака стимулирует поиск новых способов лечения злокачественных опухолей. В последнее время одной из перспективных стратегий является использование холодной атмосферной плазмы в противоопухолевой терапии. Однако разные типы раковых клеток имеют разную чувствительность к воздействию холодной атмосферной плазмой, поэтому необходима комплексная терапия для подавления жизнеспособности резистивных форм рака. Этот проект направлен на разработку противоопухолевой терапии, которая сочетает в себе эффекты воздействия холодной плазменной струи (ХПС) при атмосферном давлении и наночастиц золота (AuNP). Наночастицы, добавленные к раковым клеткам in vitro и in vivo, проникают в клетки и усиливают эффект обработки плазмой. Наночастицы Au, чистые и модифицированные олигонуклеотидами, могут также использоваться для доставки ДНК в клетки. Приложение импульсов электрического поля индуцирует множественные переходные поры на клеточной мембране за счет диэлектрического пробоя мембраны. Оптимизация режимов работы ХПС, размера и концентрации Au наночастиц, а также времени контакта клеток и наночастиц до обработки ХПС будет проводиться на основе результатов экспериментальных и теоретических исследований. В ходе реализации проекта мы планируем использовать а) барьерный газовый разряд и б) контактный газовый разряд для генерации ХПС и импульсов электрического поля, а также моделировать и оптимизировать различные рабочие режимы (с использованием гидродинамической модели) для условий эксперимента. Жизнеспособность клеток после комплексного воздействия будет анализироваться с помощью тестов МТТ и системы iCELLigence в реальном времени. Будет также проанализирован ответ клеточных белков на воздействие ХПС и Au наночастиц. На ключевой вопрос о селективности воздействия нашей комплексной терапии с ХПС + Au наночастицами будет дан ответ путем сравнения эффекта воздействия на здоровые и раковых клеток одного гистологического происхождения. Этот проект объединяет опыт российских и тайваньских ученых в области газоразрядной плазмы, био-нанотехнологий, разработки источников ХПС и противоопухолевой терапии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Швейгерт И.В,, Закревский Д.Э., Милахина Е.В., Гугин П.П., Бирюков М.М., Патракова Е.А., Коваль О.А. A grounded electrode beneath dielectric targets, including cancer cells, enhances the impact of cold atmospheric plasma jet Plasma Physics and Controlled Fusion, том 64, номер 4, стр. 044015 (год публикации - 2022)
10.1088/1361-6587/ac53f1

2. Швейгет И.В., Хопкинс М.М., Барнат Е., Кейдар М. Controlling the breakdown delay time in pulsed gas discharge Plasma Sources Science and Technology, том 31, номер 3, стр. 03LT01 (год публикации - 2022)
10.1088/1361-6595/ac417a

3. Швейгерт И.В,, Закревский Д.Э., Милахина Е.В., Гугин П.П., Бирюков М.М., Патракова Е.А., Коваль О.А. Cold plasma jet optimization for cancer treatment Proceedings of 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects / Edited by Dr. Dmitry Sorokin and Anton Grishkov. - Tomsk : TPU Publishing House., Proceedings of 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, cтр. 715-719 (год публикации - 2022)
10.56761/EFRE2022.C1-O-037201

4. Гугин П.П., Милахина Е.В., Швейгерт И.В,, Закревский Д.Э. Investigation of the functional parameters of cold plasma jet generated in device with microchannel Proceedings of 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects / Edited by Dr. Dmitry Sorokin and Anton Grishkov. - Tomsk : TPU Publishing House, стр. 681 (год публикации - 2022)
10.56761/EFRE2022.C1-O-018103

5. Коваль О.А., Бирюков М.М., Патракова Е.А., Рябчикова Е.И., Полетаева Ю.Е., Милахина Е.А., Закревский Д.Э., Лин Кун-Мо, Джен Чан-Лин, Швейгерт И.В ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ПРОТИВООПУХОЛЕВОЙ ТЕРАПИИ Синтетическая биология и биофармацевтика. Материалы всероссийской конференции. Новосибирск, 24–28 июля 2022 г.– Новосибирск. ООО «Офсет-ТМ», стр. 140 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Швейгерт И.В., Закревский Д.Э., Милахина Е.В.,Александров А.Л. ,Бирюков М.М., КовальО.А. ПРЕИМУЩЕСТВА СТРУИ ХОЛОДНОЙ АТМОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ В ПРОТИВОРАКОВОЙ ТЕРАПИИ Физика плазмы, том 49, номер 11, стр. 1178-1185 (год публикации - 2023)
10.31857/S0367292123601042

2. Гугин П.П., Милахина Е.В., Закревский Д.Э. Peculiarities of Cold Plasma Jet Generation in a Non-contact Discharge Initiation Method Materials of the 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials, IEEE Xplore, pp. 1250-1253 (год публикации - 2023)
10.1109/EDM58354.2023.10225116

3. Швейгерт И.В., Бирюков М.М., Полякова А.А., Крячкова Н.В., Горбунова Е.А., Епанчинцева А.В., Пышная И.А., Закревский Д.Э., Милахина Е.В., Коваль О.А. Pulsed voltage cold atmospheric plasma jet and gold nanoparticles enhance cytotoxic anticancer effect arXiv.org, arXiv.org, (physics:plasm-ph), art. 2312.04753 (год публикации - 2023)
10.48550/arXiv.2312.04753

4. Бирюков М.М., Семенов Д.В., Крячкова Н.В., Полякова А.А., Патракова Е.А., Троицкая О.С., Милахина Е.В., Полетаева Ю.Е., Гугин П.П., Рябчикова Е.И., Закревский Д.Э., Швейгерт И.В., Коваль О.А. The Molecular Basis for Selectivity of the Cytotoxic Response of Lung Adenocarcinoma Cells to Cold Atmospheric Plasma Biomolecules, vol.13, no.11, pp. 1672.1-1672.23 (год публикации - 2023)
10.3390/biom13111672

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Комбинированное воздействие холодной газоразрядной плазмы и золотых наночастиц несущих терапевтические молекулы может стать новым эффективным подходом в противораковой терапии. Подавление жизнеспособности раковых клеток при комбинированной обработки определяется, в первую очередь, характеристиками плазменной струи и режимами обработки, так как холодная плазменная струя (ХПС) не только создает химически активные формы кислорода и азота, подавляющие онкологические образования, но и воздействует на клетки электрическими полями, временно повышая проницаемость мембраны клеток для проникновения химически активных частиц и наночастиц с терапевтическими средствами. Для выполнения запланированных задач в 2024 г. были разработаны и изготовлены источники холодной плазменной струи (ХПС), генерируемой в потоке инертного газа в окружающем воздухе на основе контактного (газовый разряд между электродами) и бесконтактного (барьерный разряд) способах возбуждения. Инициирование разряда проводилось высоковольтным синусоидальным напряжением или однополярными положительными импульсами напряжения различной формы в широком диапазоне экспериментальных условий. Особое внимание уделялось разработке и исследованию методов повышения генерации активных радикалов в области касания плазменной струи с мишенью и обеспечении режимов генерации плазменной струи с регулярным распространением стримеров с учетом безопасности воздействия по току и температуре. Построены карты допустимых режимов при работе с живыми объектами –лабораторными животными. Проведённые экспериментальные и расчетно-теоретические исследования показали, что оптимальной геометрией источника холодной плазменной струи является цилиндрическая конструкция с внутренним центральным стержневым потенциальным и с внешним земляным электродами. Определены наиболее эффективные режимы воздействия плазменной струи на онкологические клетки (опухоленосители) in vitro и in vivo как при самостоятельном, так и при комбинированном воздействии ХПС в сочетании с модифицированными наночастицами золота. Показателями эффективности до испытания на животных являются стабильное функционирование с регулярной частотой касания током объекта воздействия; температура зоны контакта меньше 40 градусов, максимальная генерацией активных радикалов в зоне. Показано, что использование дополнительны кольцевых электродов между соплом и объектом воздействия, что приводит к увеличению тока и генерацию активных радикалов азота и кислорода до 30%. Проведено расчетно-теоретическое исследование влияния дополнительного кольцевого электрода (КЭ) на зажигание разряда и динамику распространения стримеров в течение десятков периодов напряжения. Численное моделирование проводилось для дизайна экспериментального устройства и его рабочих характеристик, для различных диаметров кольцевого электрода и напряжений на нем. Показано, что распределение напряженности электрического поля, скорости ионизации в головке стримера и величина тока существенно отличаются для положительного и отрицательного напряжения на кольцевом электроде. Отрицательное напряжение, если его абсолютная величина примерно равна половине рабочего напряжения, способствует распространению стримеров, в то время как положительное напряжение на КЭ мешает прохождению стримеров к объекту воздействия. Результаты численных расчетов показали, что когда стример выходит из диэлектрического канала и приближается к КЭ напряженность электрического поля и скорость ионизации в головке стримера значительно возрастают для случая отрицательного напряжения на КЭ по сравнению с положительным напряжением. На основе численных расчетов показано, что кольцевой электрод под отрицательным напряжением может быть использован для повышения безопасности воздействия плазменной струей на биообъекты. В системе без кольцевого электрода по мере приближения головки стримера к подложке скорость ионизации возрастает, достигая максимума у поверхности. В случае с кольцевым электродом с отрицательным напряжением, скорость ионизации резко возрастает при приближении стримера к кольцу, т.к. КЭ увеличивает крутизну фронта потенциала (и напряженность электрического поля) в голове стримера. После прохождения кольца скорость ионизации монотонно уменьшается. Таким образом, присутствие кольцевого электрода сдвигает максимум тока разряда от поверхности. Этот эффект важен для понижения нагрева зоны контакта и интенсивности токового воздействия на биообъекты. Отметим, что интегральная по времени скорость ионизации в зазоре между соплом и подложкой существенно выше, в случае с КЭ под отрицательным напряжением. В биологической части проекта, используя ранее полученные данные об изменении транскриптома здоровых и опухолевых клетках, облученных ХПС, для анализа влияния золотых наночастиц (НЧ) на механизм клеточной гибели под действием ХПС, было проанализировано изменение уровня экспрессии мРНК генов Fos, GADD45B, KLF4, ATF4, ATF3 и DDIT3. Эти гены, как нами было показано ранее, обеспечивают основной клеточный ответ на обработку ХПС. В качестве клеточной модели использовали клетки аденокарциномы легкого А549, NCI-H23 и здоровые эмбриональные фибробласты MRC5. За отчетный период в 2024 г мы показали, что для всех генов, добавление НЧ до облучения ХПС усиливало амплитуду транскрипционного ответа по сравнению с образцами, обработанными только ХПС. Наиболее существенные увеличения транскрипции в нетрансформированных клетках MRC5 наблюдали для мРНК генов Fos и GADD45B – до 20 раз. На основании полученных данных построена модель индукции гибели клеток при облучении ХПС раковых клеток, содержащих НЧ. Для разработки таргетной стратегии синтезированы конъюгаты НЧЗ с опухоль-специфическими антителами (НЧЗ-АТ), а именно с антителами к тирозиназа-зависимому белку 1 (Tyrp1), который гиперэкспрессирован в клетках В16 меланомы мышей. Проведены эксперименты по облучению ХПС мышей-опухоленосителей подкожно трансплантированной меланомы В16. Животных облучали после внутриопухолевой инъекции НЧЗ или конъюгатов НЧЗ-АТ для оценки противоопухолевой активности в отношении клеток Tyrp1-положительной меланомы В16. Оценка изменения объема опухоли показала, что только в группе животных, получавших комбинированную терапию НЧЗ-АТ и ХПС, происходило торможение роста опухоли. Таким образом, нами впервые показано, что использование НЧЗ с адресной молекулой может усилить противоопухолевое действие холодной плазменной струи. Проведено исследование цитокинового ответа в сыворотке крови животных-опухоленосителей, получавших лечение комбинацией ХПС, ХПС + НЧЗ и ХПС + НЧЗ-АТ. Показано, что из исследованных цитокинов только фактор TNFa в сыворотке крови изменялся в ответ на облучение.

Публикации

1. И. Швейгерт, М. Бирюков, А. Полякова, Н. Крячковаa, Е. Горбунова, А. Епанчинцева, И. Пышная, Д. Закревский, Е. Милахина, О. Коваль Pulsed voltage cold atmospheric plasma jet and gold nanoparticles enhance cytotoxic anticancer effectc plasma jet and gold nanoparticles enhance cytotoxic anticancer effect. Journal of Physics D: Applied Physics, V. 57, P. 255205 (год публикации - 2024)
10.1088/1361-6463/ad34df

2. Швейгерт И., Бирюков М., Полякова А., Крячкова Н., Горбунова Е., Епанчинцева А., Пышная И., Закревский Дм., Милахина Е., Коваль О. Cold Atmospheric Plasma Jet with Pulsed Voltage and Gold Nanoparticles Enhance Cytotoxic Anticancer Effect 10th International Conference on Plasma Medicine and 9th International Workshop on Plasma for Cancer Treatment, P. 107 (год публикации - 2024)

3. Швейгерт И., Бирюков М., Полякова А., Крячкова Н., Коваль О., Горбунова Е., Епанчинцева А., Пышная И., Милахина Е., Гугин П., Закревский Дм. Co-treatment with pulsed poltage cold atmospheric plasma jet and gold nanoparticles strengthens cytotoxic anticancer effect 23rd International Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics (год публикации - 2024)

4. Милахина Е.В., Закревский Д.Е., Милахин Д.С., Гугин П.П. Investigation of the characteristics of a cold plasma jet initiated in a device with a hollow cathode Proceeding of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, Abstracts, p.260 (год публикации - 2024)

5. Гугин П.П., Милахина Е.В., Закревский Дм., Швейгерт И.В., Бируков М., Коваль О. Standardization of cold plasma jet initiation modes by oh hydroxide concentration for antitumor therapy Proceedings of 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, Abstracts, p.206 (год публикации - 2024)

6. Милахина Е.В., Гугин П.П., Закревский Д.Э., Швейгерт И.В., Бирюков М.М., Патракова Е.А., Коваль О.А. Исследование электрофизических параметров холодной плазменной струи в гелии и аргоне Журнал Технической Физики, Журнал Технической Физики, т. 94 (5), стр. 727–736 (год публикации - 2024)
10.61011/JTF.2024.05.57811.4-24

7. Бирюков М.М., Полякова А.А., Крячкова Н.В., Милахина Е.В., Закревский Д.Э., Швейгерт И.В., Коваль О.А. Механизм селективной гибели опухолевых клеток при облучении холодной плазмой Х46 ХимБиоSeasons 2024, Тезисы, с.54 (год публикации - 2024)

8. Швейгерт И., Бирюков М., Полякова А., Крячкова Н., Горбунова Е., Коваль О., Милахина Е., Гугин П., Закревский Дм. Enhanced anticancer cytotoxic effect of co-treatment with cold atmospheric plasma jet and gold nanoparticles International Conference on the Methods of Aerophysical Research, Abstract, p.142–143 (год публикации - 2024)
DOI 10.53954/9785604990131_142

9. Гугин П.П., Милахина Е.М., Закревский Д.Э. Intensification Methods of Generation of Active Radicals Produced by Plasma Jet for Biomedical Applications. Proceedings 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), Proceedings 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), p.2080–2083, (год публикации - 2024)
10.1109/EDM61683.2024.10615091

10. Швейгерт И., Закревский Д., Милахина Е., Гугин П., Бирюков М., Полякова А., Крячкова Н., Горбунова Е., Епанчинцева А., Пышная И, Коваль О. Усиление противоракового эффекта при совместной обработке клеток струей холодной атмосферной плазмы и наночастиц золота Физика плазмы, Физика плазмы, Т.50, № 11, (2024) (год публикации - 2024)

11. Коваль О., Бирюков М., Полякова А., Крячкова Н., Семенов Д., Горбунова Е., Пышная И., Закревский Дм., Милахина Е., Швейгерт И. Molecular mechanisms of cell death under cold plasma jet exposure: potential enhancement with gold nanoparticales Bioinformatics of Genome Regulation and Structure / Systems Biology (BGRS/SB-2024), Abstracts, p.2039 (год публикации - 2024)
10.18699/bgrs2024-11.3-07

Возможность практического использования результатов
Новая технология разработанная в ходе выполнения проекта позволяет эффективно подавлять формирование и рост онкологические образования. Комбинированное воздействие включает обработку низкотемпературной атмосферной плазмой в сочетании с наночастицами с присоединенными терапевтическими средствами воздействующими на раковые клетки. Ключевым моментом является определение максимально эффективным и безопасных режимов генерации холодной плазменной струи с использованием разработанных в данном проекте электрофизических устройств. Предлагаемая технология селективно убивает только раковые клетки, и вызывает иммунный отклик в крови у лабораторных животных, который способен воздействовать на мигрирующие раковые клетки. Актуальность решения проблемы подавления роста онкообразований трудно переоценить. Глобальная статистика по раку сообщает о 20 млн новых зарегистрированных случаев онкологических заболевания в 2023 году.