Study of the Effects of Cold Atmospheric Plasmas on Skin Cancer Cells

Abstract

Cold atmospheric plasmas (CAPs) are a specific type of non-thermal plasmas mainly composed of reactive oxygen and nitrogen species (ROS and RNS, respectively), UV radiation and charged particles. In the last years, liquids treated by CAPs (indirect CAPs treatments) have attracted attention in oncology due to its ability to destroy cancer cells with an effectiveness similar to direct irradiation of cells by CAPs. Moreover, these indirect treatments offer the advantage of avoiding the effects of UV radiation and of the electrical fields present in plasmas being their effects mainly dependent on the reactive species produced in CAPs treated medium. To better understand the mechanisms behind the interaction between CAPs, treated medium and cells, in this work, a plasma jet device was engineered for study the vulnerability of four human cell lines (SCC-15, Met-1, HaCat, and HGF-1) to the culture medium previously exposed to CAPs. Besides that, also the characterization of the liquids exposed to plasma was done, by quantification of the concentration of H2O2, nitrate, and nitrite, using colorimetric assays and ion chromatography, respectively. To prove that the effects of exposure to CAPs are dependent on the used device, mass spectrometry studies were carried out in order to compare the spectra obtained using the developed device with that of the kINPen09. Based on this study, it was possible to investigate the oxidation of thiol groups of a cysteine solution. Cysteine was chosen since it is an amino acid that acts as a biomarker of oxidative damage. To complete these results, the study of phenol degradation and the addition of scavengers to the treated medium were also evaluated. According to the obtained results it could be observed that the cancer cell lines (SCC-15 and Met-1) in study are more sensitive to the liquids treated by CAPs than the non-cancer ones (HGF-1 and HaCat). The CAPs effects, in the case of the developed jet, seem to be mainly related to the mechanisms induced by RNS species, while in treatments performed using kINPen09, a higher oxidation rate was observed, due to the high concentration of ROS species, mainly H2O2.

Os plasmas frios à pressão atmosférica (CAPs) são um caso particular de plasmas não-térmicos compostos principalmente por espécies reactivas de oxigénio e azoto (ROS e RNS, respectivamente), radiação ultravioleta (UV) e partículas carregadas. Nos últimos anos, tem-se vindo a investigar o tratamento indirecto de líquidos com CAPs tendo em vista a sua utilização no campo da oncologia. Estes tratamentos indirectos têm sido alvo de grande atenção, uma vez, que demonstraram possuir uma capacidade de destruir as células cancerígenas com uma efectividade semelhante à irradiação directa por CAPs. Além disso, têm a vantagem de evitar os efeitos da radiação UV e os campos electromagnéticos presentes nos plasmas, estando os seus efeitos apenas relacionados com a quantidade de espécies reactivas que são originadas em meios tratados por CAPs. Para um melhor entendimento dos mecanismos envolvidos nas interacções entre os meios tratados, os CAPs e as células, procedeu-se, neste trabalho, ao desenvolvimento de um dispositivo de jacto (Jet) de plasma frio, para posterior estudo da vulnerabilidade de quatro linhas celulares humanas (SCC-15, Met-1, HGF-1 e HaCaT) a meio de cultura previamente exposto a CAPs. Foram também caracterizados os meios expostos ao plasma em termos de quantificação das concentrações de peróxido de hidrogénio (H2O2), nitrato e nitrito, com base em métodos colorimétricos e cromatografia iónica, respectivamente. De modo a comprovar que os efeitos da exposição a CAPs são dependentes do dispositivo utilizado para a sua produção, realizaram-se estudos de espectrometria de massa, para comparar os espectros do dispositivo desenvolvido com o da kINPen09. Com base neste estudo, foi possível investigar a oxidação dos grupos tiol numa solução de cisteína. A cisteína foi escolhida por se tratar de um aminoácido que actua como biomarcador dos danos oxidativos. Com o intuito de completar estes resultados, realizou-se ainda o estudo da degradação do fenol e da adição de scavengers aos meios tratados. De acordo com os resultados obtidos, pode-se observar que as linhas celulares cancerígenas (SCC-15 e Met-1) são mais vulneráveis aos líquidos expostos a CAPs do que as linhagens nãocancerígenas (HGF-1 e HaCaT). Os efeitos dos CAPs aquando da utilização do dispositivo desenvolvido no âmbito deste trabalho, pareceram estar essencialmente relacionados com os mecanismos induzidos pelas espécies RNS, enquanto que no caso de tratamentos realizados com a kINPen09, se verificou uma maior taxa de oxidação, dada a elevada concentração de ROS presente, principalmente H2O2.