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2021年

赣南师范大学学报 №.6第六期 JournalofGannanNormalUniversit Nov.2021y·光电子材料与技术·大气压冷等离子体刷诱导黑色素瘤细胞凋亡王形华,黄

骏†,陈

维,李梦超,龚

腾()赣南师范大学物理与电子信息学院,江西赣州 341000*活效果的影响.这种大气压等离子刷可在低于2利用荧光染色法检测了等0W的功率条件下实现大面积均匀放电.离子体处理后细胞凋亡的形态学变化.结果表明,氦氧等离子体的灭活效率与氦等离子体中的氧浓度密切相关.发射光谱测试发现在室温氦/氧等离子体中产生的O和OH等活性物质在灭活过程中起着重要作用.关键词:大气压冷等离子体刷;介质阻挡放电;发射光谱;黑色素瘤细胞;凋亡()中图分类号:O461.2

文献标志码:A

文章编号:206-0026-04摘

要:采用低温常压氦/氧等离子体刷对G研究氧气添加量和处理时间对灭361人黑色素瘤细胞进行处理,1

引言黑色素瘤是一种皮肤黑素细胞的恶性肿瘤,多发生于肢端的部位,比如脚跟部、手掌、脚掌,还有一些是[]1黏膜部位.黑色素瘤是导致皮肤癌死亡的主要原因,患者的5年生存率约为1尽管外科手术、化疗、放4%.[3]()的数据,全球每年新诊断出约1因此,黑色素瘤的治WorldHealthOranization3.2万例恶性黑色素瘤.g疗需要新的方法,不仅要有效的杀死癌细胞,而且要有选择性,在治疗过程中不伤害正常细胞.[2]疗和免疫治疗等领域取得了进展,但人类黑色素瘤的死亡率在过去5根据世界卫生组织0年里仍在上升.,子体具有丰富的活性氧(和活性氮(又由于其电子温度高、离子温度低的非平衡特性,其在杀ROS)RNS)等离子体是由电子、离子、中性物质(自由基、分子或激发态物质)和光子组成的电离气体.大气压冷等离4-5]菌、凝血、伤口愈合、牙齿治疗等生物医学领域的应用已经得到了广泛的研究[最近,由于冷等离子体治.疗在包括皮肤癌、肺癌、乳腺癌、肝癌在内的几种肿瘤细胞中显示出了令人满意的抗癌效果,因此等离子体在]6-10癌症治疗领域的应用引起了极大的关注[与传统的抗癌方法和药物相比,等离子体也被证明可以选择.11]性地根除癌细胞,同时使它们的同源正常细胞基本上不受影响[.术主要包括电晕放电、介质阻挡放电和等离子体射流等.等离子体射流形状非常易于扩散,适合直接处理材12-14]料表面,因此被广泛应用于等离子体生物医学领域[关于等离子体射流在癌症治疗领域的应用,现有研.自2各种非热大气压等离子体源被开发出来.目前,在常压下产生冷等离子体的技0世纪90年代以来,究大多集中在减小单根射流源尺寸,从而提高癌症治疗的靶向性和精确性.然而,在许多等离子体医学的实际应用领域,例如人类黑色素瘤相对面积较大,且位于体表易于处理,适合用大面积均匀放电直接处理提高治疗效率,迄今为止相关研究还未见报道.因此,发展一种新型的等离子体源,对可以处理较大尺寸的样品具有十分重要的现实意义.性、气体流量大、操作简单等优点.研究了等离子体刷对G并通过D361人黑色素瘤细胞的灭活作用,API染色和中性红吸收测定实验进一步探究了氧气对灭活效率的影响,分析了等离子体诱导细胞凋亡的机制.://*收稿日期:2021-05-20 36-1346c.2021.06.005j在本文中,我们设计了一种大面积均匀放电等离子体装置-大气压冷等离子体刷,其具有功耗低、高活;;江西省教育厅科技项目(国家自然科学基金(江西省自然科学基金

基金项目:GJJ17,22061002,51862001)()20171ACB21049,王形华(男,江西赣州人,赣南师范大学物理与电子信息学院教授,研究方向:光物理.

作者简介:1963-),黄骏(女,湖南湘潭人,赣南师范大学物理与电子信息学院副教授,博士,研究方向:等离子体物理. †通讯作者:1982-)

第6期

王形华,黄

骏,陈

维,等

大气压冷等离子体刷诱导黑色素瘤细胞凋亡272

实验2.1

等离子体装置和诊断图1是等离子体刷实验装置的示意图.大气压冷等离子体刷由放电腔体和两个电极组成,两个电极在放电腔体外相距一定距离.等离子体刷放电腔3两个铜箔电极宽度是1内部80×30×1mm,0mm,边缘之间的间距是1包裹在放电腔体外侧.5mm,体是由石英制成的,横向宽度达到3c体积为m,接地电极位于上游,高压电极位于下游,且与放电腔体喷嘴相距1在两个电极之间施加正弦交流0mm.,高压(氦气和氧气11.85kHz30kV峰峰值电压).在进入等离子体腔体之前是预先混气的.工作气体图1

等离子体刷实验装置示意图,通入3S氦气(大气压冷等离子体刷的光学照片显示形成视觉上LPM(SLPM表示标准升/分钟)P=18W)均匀的刷状等离子体,通过改变放电腔体的设计和调节放电条件,刷状等离子体可以从出口狭缝延伸到放电2.2

细胞培养/人黑色素瘤细胞G细胞资源中心,保存在DMEM培养基中,培养液中含有361(IBMS,CAMSPUMS),在维持稳定的3在实验前1将10%的胎牛血清和1%的青霉素-链霉素,7℃、5%二氧化碳培养箱中培养.d2.3

等离子体实验参数对于本文中所有实验,应用功率均为1工作气体氦气流量始终保持3S活性气体氧气流量从8W,LPM,,喷嘴与DMEM培养液上表面的间距为0SCCM增加到150SCCM(SCCM表示标准立方厘米每分钟)1mm,DMEM培养液的厚度为2mm.细胞接种于无菌培养皿中.腔体之外.3

结果与讨论3.1

等离子体诱导细胞凋亡等离子体处理5h后,通过DAPI荧光染色法观察到在3个不G361人黑色素瘤细胞有凋亡特征性形态学改变.)()同实验条件下(未处理的对照细胞,氦等离子体处理ab()后的细胞,氦添加3c0SCCM氧气等离子体处理后的细胞,获得了细胞核的图像.不同的细胞核形态表明这些细胞经历了不同阶段的凋亡过程.与对照样品相比,在早期可以观察到细胞核周围的染色质凝聚和聚集.凋亡的结束阶段通过凋亡小体的出现来区分.这些结果说明在相同的实验3.2

氧气浓度对细胞存活率影响为了判断氦/氧等离子体处理G361人黑色素瘤细胞过程中氧气浓度的影响,我们通过中性红吸收测定实验建条件下,加适量的氧气可以加速细胞凋亡的进程.图2

不同等离子体处理时间和氧气浓度下G361人黑色素瘤细胞的存活率结果发现,随着氧气体积百分含量从0增加到5v灭活效率先呈现上升24h后G361细胞的存活曲线.ol%,趋势,在氧气浓度为1v灭活效率达到最大值,随后灭活效率下降,细胞存活率上升.同时,在氧气浓ol%时,立细胞灭活效率与氧气浓度之间的关系.图2显示了在不同的处理时间和氧气浓度条件下等离子体处理度不变的情况下,灭活效率在一定程度上与处理时间成正比例关系.

28赣南师范大学学报 2021年3.3

等离子体放电特性图3表示施加电压和放电电流的波形.使用1000∶1)测量电压.对于电流测量,使用磁芯电流探头(泰75MHz)克P最大放电电流:带宽:来自电流6021,15A,60MHz.)和电压探头的信号由数字示波器(泰克T采集和记DS210录.可见,工作气体在等离子体刷中的击穿,产生了大量的电流细丝,即所谓的微放电,它们在时间和空间上都是随机分布的.在这种丝状模式下,放电从放电腔体中许多点的局部气体击穿开始.这种模式的特点是在每个半周期内由多还可以观察到反向的电流峰值.高压探头(泰克P最大输入电压:带宽:6015A,DC20kV,个放电脉冲构成的周期性电流.当外加电压的极性改变时,3.4

发射光谱分析为了鉴别大气压冷等离子体刷产生的各种活性物质,我们测量了氦/氧等离子体刷的发射光谱图(图4)值得注.意的是,实验中未检测到200nm~300nm范围内的紫外线,这说明紫外辐射在细胞灭活过程中并没有起到重要作[]15(/对D图4中200nm~280nm)NARNA的损伤造成.清楚地显示了大气压冷等离子体刷的发射光谱包括激发态氦/氧等离子体丝状放电的电流-电压波形图图3

在添加1%氧气条件下,用,因为紫外辐射对细胞的灭活作用主要由短波紫外等.640nm、656nm、669nm、707nm和729nm)原子氧可能是由于氧分子与电子直接碰撞解离而产生33(、氮离CПu—BПg,316nm、337nm、357nm和380nm)子线(和激发态的氦原子线(391nm)501nm、587nm、、、的氧线(羟基线(氮分子线285nm和777nm)309nm)

从200nm到850nm的氦/氧等离子体发射光谱图4

在添加1%氧气条件下,2+219-20]*,跃迁[其形成归因于激发态氧与水蒸气反应(309nm处的特征峰是OH(A∑--X∏)H2O+O[]--[16]17-18,的(氧也可以通过彭宁电离形成(我们认为e+ON.2→O+O+e)2+O2→N2+O+O)--、水蒸气与电子碰撞解离(氮分子谱线N清楚地显示了在→2OH)H2O+e→H+OH+e).C→B)2(*+大气压冷等离子体刷放电过程中空气的存在,而氮离子的形成可归因于彭宁电离(He+Ne+N2→H2O.2+e)事实上,氧原子和羟基可以通过细胞膜,从而可引起高水平的D这是等离子体诱导细胞凋亡NA损伤,+*此外,在4它的形成也可能是由于彭宁电离(+e).27nm处探测到氧离子的发射谱线,He+Oe+2→H--[21]22],的机制之一.另外,在氦等离子体中添加适量氧气不仅会降低氦和空气分子的发射强度[而且会增强高活性氧自由基的强度水平.因此,在氦等离子体中加入少量氧气可大大提高大气压冷等离子体刷的灭活效率.随着过量氧气的通入,由于电子被氧分子和氧原子俘获使得电子密度降低,从而导致活性氧自由基的数量减少.结果表明,在一定的氧气浓度下,细胞灭活效率达到最佳值,而随着氧气浓度的继续增加,灭活效率反而降低.4

结论染色法观察了G典型的外加电压和放电电流波形图揭示了刷361人黑色素瘤细胞凋亡特征的形态学变化.状等离子体的放电特性.适量添加氧气加速了黑色素瘤细胞的凋亡,OH和O自由基在细胞凋亡过程中起着至关重要的作用.在一定功率驱动下,通入适当比例氦气/氧气的等离子体刷可以达到最大的灭活效率.综上所述,本文报道了大气冷等离子体刷诱导G采用D361人黑色素瘤细胞凋亡的实验研究.API荧光

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王形华,黄

骏,陈

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大气压冷等离子体刷诱导黑色素瘤细胞凋亡参考文献:29[],[],,1 BANDARCHIBJABBARICA,VEDADIA,.201366gyoy():8644.[]2 SMILOWITZHM,SASSOD,LEEEW,delforadvancedintracerebralB16mousemelanomausinradiationtherapymgpy[],,():.[]3 SORENSENMR,PEDERSENSR,LINDKVISTA,ficationofb16melanomacellsinlunsusintrilexq-cr-anewa-ggppp[],():e2014,91e87831.p[],:4 XUZM,LANY,ionsofatmoshericpressureplasmainmicrobialinactivationandcancertheraabriefreviewppppy[],():Science&Technolo2020,[]:AP[]5 DUSANB,DANAD,ERIKAH,ationalJournalofp,():MolecularSciences2020,2182932.[],/[]6 HUANGJLIH,CHENW,tricba2p,():AliedPhsicsLetters2011,[],[],():7 ZHANGXH,LIMJZHOURL,.2008,932yapppy021502.[],8 KIMSJCHUNGTH,BAESH,ionofaotosisinhumanbreastcancercellsbulsedatmoshericressureplasmaetppyapppj[],():.2010,[],[],,():9 KIMK,AHNHJLEEJH,ppy[],10 MINAA,MONIREHG,moshericPlasmaIsaPotentTooltoImroveChemotherainMelanomaInpppy[],():ECULES2020,1071011.[]:[],11 DAIXF,ZHANGZF,ZHANGJY,ProcessesandPolmers2020,gygyy():1710e1900178.[]12 KENNETHAC,AMANDAW,ADAMC,ationandPerformanceofaMultidischareCold-AtmoshericPressurePlasmagp[],():ansactionsonPlasmaScience2021,4941388-1395.y[]:[]13 LIL,ntrohs-popjypppy,():icsReviews2021,81011306.[],WHA14 MORABITY,HASANMILLEYRD,wofthegasandliuidphaseinteractionsinlow-temeratureplasmaetsqpj[]():nPhsicalJournalD,2021,[][,:15 WANGLK,HUNGYT,SHAMMASNK,edPhsicochemicalTreatmentProcessesM].TotowaNewJerseHuma-yy,():naPressInc.200640317-320.[][]16 ELIASSONB,HIRTHM,lofPhsicsD:yyggy,AliedPhsics1987,20:[]17 ALVAREZR,QUINTEROMC,descritionofexcitationprocessesofmolecularandatomicseciesinahih-ppg[]:,,():[][],,():18 lofPhsicsD:ppy[],MO]19 HIBERTC,GAURANDITRETO,etal.[OH(X)measurementsbresonantabsortionsectroscoinapulseddielectricbar-ypppy[],():lofAliedPhsics1999,2+2[],20 CRICHTONHJCOSTENML,ofcollisionsonone-colorpolarizationsectroscofOHAΣ-XΠppyo[],():rnalofChemicalPhsics2003,119189461.y[]21 SEOD,ationofthetransitionofoeratineionsinalow-ressureinductivelouledoxenplasmaban-pgrgpycpygyLg[],():lofPhsicsD:AliedPhsics2001,py[],[]22 GOREEJLIUB,lofPhsicsD:py,():AliedPhsics2006,emissionmeasurementsindicatethatreactiveseciessuchasOandOHgeneratedintheroomtem-pp/osismorholoicalchanesincellundthattheefficiencfhelium-oxenplasmadeendssensitivelntheoxenconcentrationgayatmoshericplasmabrushreuiresextremellowygppqy(,,)SchoolofPhsicsandElectronicInformationGannanNormalUniversitGanzhou341000,Chinayy:/AbstractAlowtemeratureatmoshericpressureHeOlasmabrushisemloedtostud361melanomacellsinacti-pppyyG2p,HUAN,,,WANGXinhuaGJunCHENWeiLIMenchaoGONGTengggAotosisinMelanomaCellsInducedbnAtmoshericppyapPressureColdPlasmaBrushotosisp:;;;Keordsatmoshericpressurecoldplasmabrushdielectricbarrierdischareemissionsectrum;melanomacellsa-pgppyw