References

oncotomsk

Сибирский онкологический журнал

Siberian journal of oncology

1814-48612312-3168

Tomsk National Research Medical Сепtеr of the Russian Academy of Sciences

10.21294/1814-4861-2024-23-6-89-96

oncotomsk-3364

Research Article

ЛАБОРАТОРНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

LABORATORY AND EXPERIMENTAL STUDIES

In vitro биохимические особенности применения холодной плазмы в клетках экспериментального рака молочной железы MCF-7

In vitro biochemical features of cold plasma application in MCF-7 experimental breast cancer cells

Зиннурова

А. Б.

Zinnurova

A. B.

Зиннурова Алина Борисовна - лаборант-исследователь кафедры биохимии и молекулярной биологии с курсом клинической лабораторной диагностики.

634050, Томск, Московский тракт, 2

Researcher ID (WOS) KGK-6645-2024

Alina B. Zinnurova - Research Laboratory Assistant, Department of Biochemistry and Molecular Biology with a course in clinical laboratory diagnostics, Siberian State Medical University of the Ministry of Health of Russia.

2, Moskovsky trakt, Tomsk, 634050

Researcher ID (WOS): KGK-6645-2024

https://orcid.org/0009-0004-9237-2086

Воробьев

К. П.

Vorobyev

K. P.

Воробьев Кирилл Павлович – аспирант.

634050, Томск, Московский тракт, 2

Kirill P. Vorobyev - Postgraduate, Siberian State Medical University of the Ministry of Health of Russia.

2, Moskovsky trakt, Tomsk, 634050

https://orcid.org/0000-0002-8650-6939

Бакина

О. В.

Bakina

O. V.

Бакина Ольга Владимировна - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУН «ИФПМ» СО РАН; доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии с курсом клинической лабораторной диагностики, ФГБОУ ВО «СибГМУ» Минздрава России.

634050, Томск, Московский тракт, 2; 634055, Томск, пр. Академический, 2/4

Researcher ID (WOS) A-3184-2014, Author ID (Scopus) 57200860509

Olga V. Bakina - DSc, Leading Researcher, Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Associate Professor, Department of Biochemistry and Molecular Biology with a course in clinical laboratory diagnostics, Siberian State Medical University of the Ministry of Health of Russia.

2, Moskovsky trakt, Tomsk, 634050; 2/4, Akademicheskiy prospect, Tomsk, 634055

Researcher ID (WOS) A-3184-2014, Author ID (Scopus) 57200860509

ovbakina@ispms.ru

https://orcid.org/0000-0002-0251-8829

Сенькина

Е. И.

Senkina

E. I.

Сенькина Елена Ивановна - младший научный сотрудник.

634055, Томск, пр. Академический, 2/4

Researcher ID (WOS) AGN-2441-2022, Author ID (Scopus) 57657672100

Elena I. Senkina - Junior Researcher, Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

2/4, Akademicheskiy prospect, Tomsk, 634055

Researcher ID (WOS) AGN-2441-2022, Author ID (Scopus) 57657672100

https://orcid.org/0000-0002-5269-736X

Спирина

Л. В.

Spirina

L. V.

Спирина Людмила Викторовна - доктор медицинских наук, профессор, заведующая кафедрой биохимии и молекулярной биологии с курсом клинической лабораторной диагностики.

634050, Томск, Московский тракт, 2

Researcher ID (WOS) A-7760-2012, Author ID (Scopus) 36960462500

Ludmila V. Spirina - MD, DSc, Professor, Head of the Department of Biochemistry and Molecular Biology with a course in clinical laboratory diagnostics, Siberian State Medical University of the Ministry of Health of Russia.

2, Moskovsky trakt, Tomsk, 634050

Researcher ID (WOS) A-7760-2012, Author ID (Scopus) 36960462500

https://orcid.org/0000-0002-7441-5554

Носарева

О. Л.

Nosareva

O. L.

Носарева Ольга Леонидовна - доктор медицинских наук, профессор кафедры биохимии и молекулярной биологии с курсом клинической лабораторной диагностики.

634050, Томск, Московский тракт, 2

Researcher ID (WOS) E-7153-2016, Author ID (Scopus) 22955735900

Olga L. Nosareva - MD, DSc, Professor, Department of Biochemistry and Molecular Biology with a course in clinical laboratory diagnostics, Siberian State Medical University of the Ministry of Health of Russia.

2, Moskovsky trakt, Tomsk, 634050

Researcher ID (WOS) E-7153-2016, Author ID (Scopus) 22955735900

Жаворонок

Т. В.

Zhavoronok

T. V.

Жаворонок Татьяна Васильевна - доктор медицинских наук, профессор кафедры биохимии и молекулярной биологии с курсом клинической лабораторной диагностики.

634050, Томск, Московский тракт, 2

Researcher ID (WOS) P-1272-2016, Author ID (Scopus) 57156704300

Tatiana V. Zhavoronok - DSc, Professor, Department of Biochemistry and Molecular Biology with a course in clinical laboratory diagnostics, Siberian State Medical University of the Ministry of Health of Russia.

2, Moskovsky trakt, Tomsk, 634050

Researcher ID (WOS) P-1272-2016, Author ID (Scopus) 57156704300

ФГБОУ ВО «Сибирский государственный медицинский университет» Минздрава РоссииРоссияSiberian State Medical University of the Ministry of Health of RussiaRussian Federation

ФГБОУ ВО «Сибирский государственный медицинский университет» Минздрава России; ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наукРоссияSiberian State Medical University of the Ministry of Health of Russia; Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation

ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation

2024

13012025

2368996

2025

Зиннурова А.Б., Воробьев К.П., Бакина О.В., Сенькина Е.И., Спирина Л.В., Носарева О.Л., Жаворонок Т.В.

Zinnurova A.B., Vorobyev K.P., Bakina O.V., Senkina E.I., Spirina L.V., Nosareva O.L., Zhavoronok T.V.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.siboncoj.ru/jour/article/view/3364

Введение. Низкотемпературная плазма в настоящее время находит применение в медицине, в том числе в терапии опухолей. Активированные плазмой биологические растворы предложены в качестве потенциальных реагентов для лечения рака. Однако биологические эффекты в клетках, вызываемые воздействием холодной плазмы, остаются неизученными. Исследование молекулярных механизмов воздействия холодной плазмы на клетки имеет важное значение для ее клинического применения. Целью исследования явилась оценка влияния воздействия холодной плазмы на особенности изменения жизнеспособности, активности каталазы, содержания малонового диальдегида в культурах клеток рака молочной железы MCF-7 по сравнению с нормальными клетками фибробластов подкожно-соединительной ткани мыши 3T3. Материал и методы. В качестве объектов исследования использовали клетки эпителия молочной железы млекопитающих MCF-7, в качестве сравнения − клетки эмбриональных фибробластов мыши NIH/3T3. Обработку клеточных суспензий проводили при помощи низкотемпературной плазмы атмосферного разряда с убегающими электронами. Для количественной оценки жизнеспособности клеточных линий использовали аннексин V и пропидия йодид. Содержание малонового диальдегида определяли по развивающейся окраске его раствора с 2-тиобарбитуровой кислотой при высокой температуре в кислой среде. Активность каталазы оценивали по скорости разложения перекиси водорода за определенное время инкубации смеси. Результаты. Облучение плазмой клеточной культуры MCF-7 приводило к увеличению содержания малонового диальдегида − основного продукта перекисного окисления липидов. Увеличение данного параметра является показателем повреждения мембран клеток и окислительного стресса, вызванного облучением. Кроме того, при одном режиме облучения холодная плазма проявляла стимулирующий эффект на культуре клеток 3Т3, а на культуре MCF-7, наоборот, стимулировала гибель клеток. Заключение. Установлено, что холодная плазма воздействует на опухолевые и нормальные клетки по-разному. Активность каталазы и МДА являются значимыми маркерами в оценке интенсивности окислительного стресса.

Introduction. Low-temperature plasma is currently used in medicine, including cancer therapy. Plasma-activated biological solutions have already been proposed as potential reagents for cancer treatment. However, the biological effects in cells induced by exposure to cold plasma still remain unexplored. Investigation of the molecular mechanisms of the effects of cold plasma on cells is of great clinical importance for its clinical application. the aim of the present study was to evaluate the effect of cold plasma exposure on apoptosis, catalase activity, and malonic dialdehyde content in MCF-7 breast cancer cell cultures compared to 3T3 normal fibroblast cells. Material and Methods. MCF-7 mammary epithelial cells were used as research objects, and NIH/3T3 mouse embryonic fibroblast cells were used as controls. Cell suspensions were treated using low-temperature atmospheric discharge plasma with escaping electrons. Annexin V and propidium iodide were used to quantify cell line apoptosis. The content of malonic dialdehyde was determined by the developing coloration of its solution with 2-thiobarbituric acid at high temperature in acidic medium. The activity of catalase was estimated by the rate of decomposition of hydrogen peroxide for a certain time of incubation of the mixture. Results. It was found that irradiation of MCF-7 cell culture with plasma led to an increase in the content of malondialdehyde, the main product of lipid peroxidation. the increase in this parameter is an indicator of cell membrane damage and oxidative stress induced by irradiation. In addition, under the same irradiation regime, cold plasma showed a stimulating effect on the culture of 3T3 cells, while on the MCF-7 culture, on the contrary, it stimulated the activation of apoptosis and cell death. Conclusion. In the present study, we found that exposure of tumor and normal cells to cold plasma promotes apoptosis activation. Catalase and MDA activity have been shown to be significant markers capable of assessing the intensity of oxidative stress.

холодная плазмаклетки рака молочной железы MCF-7перекисное окисление липидовкаталазамалоновый диальдегид

cold plasmaMCF-7 breast cancer cellslipid peroxidationcatalasemalonic dialdehyde

Разработка методики плазменной обработки и обработка клеточных культур выполнены в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема FWRW-2022-0002.

The development of plasma treatment methodology and cell culture treatment were performed within the framework of the state assignment of the Institute of Physics and Mathematics of SB RAS, topic FWRW-2022-0002.

References1

Bernhardt T., Semmler M.L., Schäfer M., Bekeschus S., Emmert S., Boeckmann L. Plasma Medicine: Applications of Cold Atmospheric Pressure Plasma in Dermatology. Oxid Med Cell Longev. 2019. doi: 10.1155/2019/3873928.

Gao L., Shi X., Wu X. Applications and challenges of low temperature plasma in pharmaceutical field. J Pharm Anal. 2021; 11(1): 28–36. doi: 10.1016/j.jpha.2020.05.001.

Babington P., Rajjoub K., Canady J., Siu A., Keidar M., Sherman J.H. Use of cold atmospheric plasma in the treatment of cancer. Biointerphases. 2015; 10(2). doi: 10.1116/1.4915264.

Yan D., Cui H., Zhu W., Nourmohammadi N., Milberg J., Zhang L.G., Sherman J.H., Keidar M. The Specific Vulnerabilities of Cancer Cells to the Cold Atmospheric Plasma-Stimulated Solutions. Sci Rep. 2017; 7(1): 4479. doi: 10.1038/s41598-017-04770-x.

Tanaka H., Mizuno M., Ishikawa K., Nakamura K., Kajiyama H., Kano H., Kikkawa F., Hori M. Plasma-activated medium selectively kills glioblastoma brain tumor cells by down-regulating a survival signaling molecule, AKT kinase. Plasma Med. 2011; 1(3–4): 265–77. doi: 10.1615/PlasmaMed.2012006275.

Utsumi F., Kajiyama H., Nakamura K., Tanaka H., Mizuno M., Ishikawa K., Kondo H., Kano H., Hori M., Kikkawa F. Effect of indirect nonequilibrium atmospheric pressure plasma on anti-proliferative activity against chronic chemo-resistant ovarian cancer cells in vitro and in vivo. PLoS One. 2013; 8(12). doi: 10.1371/journal.pone.0081576.

Hattori N., Yamada S., Torii K., Takeda S., Nakamura K., Tanaka H., Kajiyama H., Kanda M., Fujii T., Nakayama G., Sugimoto H., Koike M., Nomoto S., Fujiwara M., Mizuno M., Hori M., Kodera Y. Effectiveness of plasma treatment on pancreatic cancer cells. Int J Oncol. 2015; 47(5): 1655–62. doi: 10.3892/ijo.2015.3149.

Jablonowski H., Schmidt-Bleker A., Weltmann K.D., von Woedtke T., Wende K. Non-touching plasma-liquid interaction - where is aqueous nitric oxide generated? Phys Chem Chem Phys. 2018; 20(39): 25387–98. doi: 10.1039/c8cp02412j.

Takeda K., Ishikawa K., Tanaka H., Sekine M., Hori M. Spatial distributions of O, N, NO, OH and vacuum ultraviolet light along gas flow direction in an AC-excited atmospheric pressure Ar plasma jet generated in open air. J Physics D: Appl Physics. 2017; 50(19). doi: 10.1088/1361-6463/aa6555.

Lim K., Hieltjes M., van Eyssen A., Smits P. Cold plasma treatment. J Wound Care. 2021; 30(9): 680–3. doi: 10.12968/jowc.2021.30.9.680.

Hirst A.M., Frame F.M., Arya M., Maitland N.J., O’Connell D. Low temperature plasmas as emerging cancer therapeutics: the state of play and thoughts for the future. Tumour Biol. 2016; 37(6): 7021–31. doi: 10.1007/s13277-016-4911-7.

Ishikawa K., Hosoi Y., Tanaka H., Jiang L., Toyokuni S., Nakamura K., Kajiyama H., Kikkawa F., Mizuno M., Hori M. Non-thermal plasma-activated lactate solution kills U251SP glioblastoma cells in an innate reductive manner with altered metabolism. Arch Biochem Biophys. 2020; 688. doi: 10.1016/j.abb.2020.108414.

Takahashi Yo., Taki Yu., Takeda K., Hashizume H., Tanaka H., Ishikawa K., Hori M. Reduced HeLa cell viability in methionine‐containing cell culture medium irradiated with microwave‐excited atmospheric-pressure plasma. Plasma Processes and Polymers. 2018; 15(3). doi: 10.1002/ppap.201700200.

Liu Ya., Ishikawa K., Miron C., Hashizume H. Hydrogen peroxide in lactate solutions irradiated by non-equilibrium atmospheric pressure plasma. Plasma Sources Sci Technol. 2021; 30(4). doi: 10.1088/1361-6595/abbbd4.

Al Mamun A., Wu Y., Monalisa I., Jia C., Zhou K., Munir F., Xiao J. Role of pyroptosis in spinal cord injury and its therapeutic implications. J Adv Res. 2020; 28: 97–109. doi: 10.1016/j.jare.2020.08.004.

Dubey S.K., Dabholkar N., Pal U.N., Singhvi G., Sharma N.K., Puri A., Kesharwani P. Emerging innovations in cold plasma therapy against cancer: A paradigm shift. Drug Discov Today. 2022; 27(9): 2425–39. doi: 10.1016/j.drudis.2022.05.014.

Wang Y., Mang X., Li X., Cai Z., Tan F. Cold atmospheric plasma induces apoptosis in human colon and lung cancer cells through modulating mitochondrial pathway. Front Cell Dev Biol. 2022; 10. doi: 10.3389/fcell.2022.915785.

Wang Y., Mang X., Li D., Chen Y., Cai Z., Tan F. Piezoeletric cold atmospheric plasma induces apoptosis and autophagy in human hepatocellular carcinoma cells through blocking glycolysis and AKT/mTOR/ HIF-1α pathway. Free Radic Biol Med. 2023; 208: 134–52. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2023.07.036.

Maltsev A.N. Dense gas discharge with runaway electrons as a new plasma source for surface modification and treatment. IEEE transactions on plasma science. 2006; 34(4): 1166–74.

Ложкомоев А.С., Глазкова Е.А., Хоробрая Е.Г., Лернер М.И., Мальцев А.Н., Подковыров В.Г. Модификация поверхности полимерных волокон DRE-плазмой для адгезии частиц оксигидроксида алюминия. Известия высших учебных заведений. 2013; 56(4): 22–6.

Lozhkomoev A.S., Glazkova E.A., Khorobraya E.G., Lerner M.I., Maltsev A.N., Podkovyrov V.G. Modification of the surface of polymer fibers with DRE plasma for adhesion of aluminum oxyhydroxide particles. News of Higher Education Institutions. 2013; 56(4): 22–6. (in Russian).

Kumar V., Sharma N., Maitra S.S. In vitro and in vivo toxicity assessment of nanoparticles. Int Nano Lett. 2017; 7(4): 243–56. doi: 10.1007/s40089-017-0221-3.

Hadwan M.H., Abed H.N. Data supporting the spectrophotometric method for the estimation of catalase activity. Data Brief. 2015; 6: 194–99. doi: 10.1016/j.dib.2015.12.012.

ГОСТ Р ИСО 10993.5. Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Ч. 5. Исследование на цитотоксичность: методы in vitro

ISO 10993-5. Biological evaluation of medical devices Part 5: Tests for in vitro cytotoxicity. (in Russian).

Shan K., Feng N., Zhu D., Qu H., Fu G., Li J., Cui J., Chen H., Wang R., Qi Y., Chen Y.Q. Free docosahexaenoic acid promotes ferroptotic cell death via lipoxygenase dependent and independent pathways in cancer cells. Eur J Nutr. 2022; 61(8): 4059–75. doi: 10.1007/s00394-022-02940-w.

Wang Y., Mang X., Li D., Wang Z., Chen Y., Cai Z., Tan F. Cold atmospheric plasma sensitizes head and neck cancer to chemotherapy and immune checkpoint blockade therapy. Redox Biol. 2024; 69. doi: 10.1016/j.redox.2023.102991.

Dai X., Wu J., Lu L., Chen Y. Current Status and Future Trends of Cold Atmospheric Plasma as an Oncotherapy. Biomol Ther (Seoul). 2023; 31(5): 496–514. doi: 10.4062/biomolther.2023.027.

Gay-Mimbrera J., García M.C., Isla-Tejera B., Rodero-Serrano A., García-Nieto A.V., Ruano J. Clinical and Biological Principles of Cold Atmospheric Plasma Application in Skin Cancer. Adv Ther. 2016; 33(6): 894–909. doi: 10.1007/s12325-016-0338-1. Erratum in: Adv Ther. 2016.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.