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Übersichten
Urologe
https://doi.org/10.1007/s00120-018-0754-8
© Springer Medizin VerlagGmbH, ein Teil von
Springer Nature 2018
N.Gelbrich·M.B.Stope·M.Burchardt
Klinik und Poliklinik für Urologie, Universitätsmedizin Greifswald, Greifswald, Deutschland
Kaltes atmosphärisches Plasma
für die urologische
Tumortherapie
Physikalische Plasmen
Physikalische Plasmen lassen sic h haupt-
sächlich hinsichtlich ihres Trägergases
(u.a. Argon, Helium, Stickstoff) sowie
den technischen Parametern Gasdruck
und Temperatur definieren [1]. Alle
Komponenten eines physikalischen Plas-
mas stehen in ständiger Wechselwirkung
mit der Umgebungsatmosphäre. Daraus
resultiert ein Gemisch aus Teilchen des
Trägergases und der Umgebungslu mit
unterschiedlichen Anregungszuständen
sowie elektromagnetischen Strahlen ver-
schiedener Wellenlängen. Aufgrund der
hohen Energie und der hohen Reakti-
vität der Plasmakomponenten werden
physikalische Plasmen auch als 4. Aggre-
gatzustand bezeichnet [2,3]. Physika-
lische Plasmen besitzen Eigenschaen,
die im festen, flüssigen und gasförmi-
gen Aggregatzustand nicht vorhanden
sind und bei technischen wie auch zu-
nehmend medizinischen Anwendungen
zum Einsatz kommen. So werden phy-
sikalische Plasmen z. B. zur Sterilisation,
Dekontamination und Modifikation von
biorelevanten Oberflächen und Mate-
rialien (Operationsbesteck, Implantate)
eingesetzt [1,4]. Im klinischen Kontext
wird heißes physikalisches Plasma mit
Temperaturen um 70°C in der Chirurgie
und Gastroenterologie zur Koagulation
eingesetzt [5,6]. Diese heißen Plasmen
sind jedoch aufgrund ihrer hohen Tem-
peratur für eine direkte Behandlung von
Körpergewebe oder Organen ungeeig-
net. Für therapeutische Applikationen
kommen raum- bis körpertemperierte
(„kalte“) Plasmen bis ca. 40 °C unter
normalem Atmosphärendruck („cold
atmospheric plasma“, CAP) zum Einsatz
([7,8]; .Abb. 1). Zur Herstellung kalter
Plasmen werden Plasmajets und di-
elektrische Barriereentladungs(DBD)-
Geräte genutzt [9]. Beim Plasmajet
(.Abb. 1a, b)sowiebeiderminiatu-
risierten Form der Plasmanadel ([10,
11]; .Abb. 2a) befinden sich beide Elek-
troden im Griffstück. Bei DBD-Geräten
wird zur Plasmaerzeugung eine externe
Elektrode benötigt (.Abb. 2b).
Kaltes Atmosphärenplasma
CAP wird durch das Anlegen einer
hohen elektrischen Gleichspannung an
zwei Elektroden erzeugt, durch welche
das Trägergas unter niedrigem Gas-
druck fließt. Die hohe Reaktivität von
CAP, insbesondere die hohe biologische
Reaktivität, liegt an der Entstehung zahl-
reicher geladener Teilchen (Ionen), freier
Radikalen, angeregter Atome und Mo-
leküle, Photonen sowie elektromagne-
tischer Strahlung. Die Energetisierung
der Umgebungslu führt insbesondere
zur Bildung unterschiedlicher reaktiver
Sauerstoffspezies (ROS) und reaktiver
Stickstoffspezies (RNS; .Abb. 3). Die
am häufigsten entstehenden reaktiven
Spezies sind Ozon (O3), Superoxid (O2–),
Singulett-Sauerstoff(1O2),Hydroxylradi-
kale (•OH), Wasserstoffperoxid (H2O2),
Stickstoffmonoxidradikale (•NO), Per-
oxinitritanion (ONOO–), Stickstoffradi-
kale (•N2) und Stickstoffdioxidradikale
(•NO2;[12–15]). Aufgrund ihrer hohen
Reaktivität führen alle diese Spezies zu
Redoxstress von Zellen, jedoch wurde
Wasserstoffperoxid als ein Haupteffektor
der stressbedingten Zellantwort ausge-
macht [16,17]. Auf biologische Systeme
übt CAP antimikrobielle, antiseptische,
immunmodulierende, antiinflammato-
rische und in der Summe wundhei-
lungsfördernde Wirkungen aus [2,4,
8,18–21]. Zunehmend wird auch ein
intraoperativer Einsatz von CAP bei
onkologischen Operationen diskutiert
[22,23].
Manmusszwischendirektenund
indirekten Plasmaeffekten unterschei-
den und kann entsprechend von einer
direkten und indirekten CAP-Behand-
lung sprechen. Bei der direkten CAP-
BehandlungvonTumorzellenkonnteder
antiproliferative Effekt von CAP gezeigt
werden. Dieser ist auf die direkte Exp osi-
tion der Zellen mit CAP zurückzuführen.
Zusätzlich treten jedoch auch indirek-
te Effekte auf, die durch die reaktiven
Spezies selbst oder durch von diesen ak-
tivierten, molekularen Bestandteilen der
Zellkulturmedien oder Körperflüssig-
keiten auf die Zellen übertragen werden.
Aufgrund der geringen Halbwertszeiten
der reaktiven Spezies kommt es hierbei
jedoch zu keinen systemischen, sondern
nur lokal begrenzten Effekten [24–26].
Mutagenes Potenzial von
Plasma
Hinsichtlich der Zusammensetzung von
CAP mit vielen hochreaktiven Spezies
stellte sich bereitszu B eginnder Untersu-
chungenvonpotenziellenmedizinischen
Anwendungen die Frage, ob CAP selbst
DNA schädigende und somit mutage-
ne Wirkung besitzen könnte. Die aktu-
ellen Ergebnisse dazu sind uneinheitlich
und z.T. schwer zu interpretieren. Dies
kommt in erster Linie dadurch zustan-
de, dass unterschiedliche Plasmaquellen,
also unterschiedliche Zusammensetzun-
Der Urologe
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Abb. 1 8aErzeugung von CAP mit dem Plasmajet kINPen®MED der Firma neoplas tools GmbH (Greifswald,Deutschland).
bDurch das Anlegen einer hohen elektrische n Gleichspannung zwischen zwei Elektroden unter atmosphärischem Normal-
druck wird eine „CAP-Flamme“ erzeugt
Abb. 2 8aDiePlasmanadelproduziertanihrerSpitzeeine Wolke aus ionisiertem Gas. MitdiesemPlasmaspotkönnenpunk-
tuelleukaryotische Zellen und Bakterien inaktiviert werden. Plasmanadelnwerdenhäufigin der Zahnmedizin eingesetzt[10,
11]. bDurch dielektrischeBarriereentladung („dielectric barrier discharge“, DBD) zwischen zwei Elektrodenkönnen ebenfalls
nichtthermischen Plasmen unterAtmosphärendruck erzeugt werden [56,57]
Abb. 3 8Zusammensetzungvon CAP. CAP besteht aus zahlreichenreaktiven Teilchen, wieOzon (O3),
Superoxide (O2–), Hydroxylradikale (•OH–),Wasserstoffperoxid(H2O2) und Stickstoffradikale (•N2).
Beim Plasmajet kINPen®MED wird dasEdelgas Argon (Ar) als Trägergas verwendet.Die Behandlung
mit Ar dient gleichzeitig alsKontrolle [22]
genundEigenschaenderreaktivenTeil-
chen, in unterschiedlichen Modellen ge-
testet wurden.
Zur Untersuchung möglicher geno-
toxischer Effekte wurden unterschiedli-
che Modell- und Testsysteme benutzt.
Durchflusszytometrische Analysen von
CAP-behandelten humanen Lymphozy-
ten zeigten keine durch Chromosomen-
schäden entstandenen Micronuclei [27].
Dies konnte in einem In-vivo-Ansatz im
„hen’s egg test for micronucleus induc-
tion“ (HET-MN-)Modell bestätigt wer-
den [28]. Ein weiteres etabliertes Modell
zur Abschätzung mutagenen Potenzials
ist der Hypoxanthin-Guanin-Phosphori-
bosyl-Transferase 1- (HPRT1-)Test, bei
dem Mutationen im HPRT1-Gen in An-
wesenheit von 6-ioguanin zu einem
Überlebensvorteil von Hamsterlungen-
fibroblastenzellen führen. Auch hierbei
Der Urologe
konnte kein Unterschied zu kontrollbe-
handelten Zellen gezeigt werden [29].
Demgegenüber stehen aber auch Un-
tersuchungen, in denen DNA-Doppel-
strangbrüchenachgewiesenwurden[30].
Es bleibt jedoch festzuhalten, dass CAP
u.a. auch zu einer Induktion von Apop-
tose und somit auch zur apoptotischen
Fragmentierung des Genoms führt, wie
in PC- und in anderen malignen Zel-
lennachgewiesenwerdenkonnte[3,22,
31,32]. Da eine gleichzeitige Aktivie-
rung apoptotischer Faktoren (z.B. Cas-
pasen) gezeigt werden konnte, geht man
nach aktuellem Wissenstand von einer
Induktion der apoptotischen DNA-Frag-
mentierung aus und nicht von direkten
DNA-schädigenden Effekten durch CAP
(.Abb. 4).
Plasmabehandlung
urologischer Tumoren
Aufgrund der Eigenschaen physikali-
scher Plasmen und vor dem Hintergrund
der in der Plasmamedizin verfügbaren
Geräte zur Plasmaerzeugung haben sich
experimentelle Untersuchungen zur bio-
logischen Plasmawirkung bisher mehr-
heitlich auf die Behandlung von Ober-
flächen beschränkt. Hierbei standen bis-
her v.a. die antimikrobielle Behandlung
von Oberflächen sowie die erapie von
Zahn- und Hauterkrankungen im Mit-
telpunkt der Forschung [4,8,18,33–36].
In den vergangenen Jahren sind weitere
Anwendungsmöglichkeitenin den Fokus
des Interesses gerückt, da die antiprolife-
rativenEffektevonCAPeineAnwendung
in der onkologischen erapie als aus-
sichtsreich erscheinen lassen [24,37–39].
Dies hat in den letzten Jahren zur Ent-
wicklungeines neuenForschungsgebiets,
der „Plasmaonkologie“, geführt.
Im Bereich urologischer Tumoren
existieren aktuell nur wenige experi-
mentelle In-vitro-Daten zur Interaktion
von CAP mit Tumorzellen. Jedoch las-
sen antineoplastische Wirkungen auf
für die chirurgische Exzision schwer
zugänglichen Tumorbereichen einen
CAP-Einsatz in der Uroonkologie als
Erfolg versprechend erscheinen [25,37].
So könnten z.B. auch Bereiche eines
Tumorgewebes inaktiviert werden, die
dicht an benachbarten Organen oder
Zusammenfassung · Abstract
Urologe https://doi.org/10.1007/s00120-018-0754-8
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N.Gelbrich·M.B.Stope·M.Burchardt
Kaltes atmosphärisches Plasma für die urologische Tumortherapie
Zusammenfassung
Kaltes atmosphärisches Plasma (CAP) ist ein
hochreaktives, ionisiertes Gasgemisch aus
elektrisch geladenen Teilchen, Radikalen
und Photonen sowie elektromagnetischer
Strahlung. Aufgrund der hohen Energie und
der hohen Reaktivitätder Plasmakomponen-
tenwerdenphysikalischePlasmenauchals
4. Aggregatzustand bezeichnet. CAP hat eine
antimikrobielle, immunmodulierende, antiin-
flammatorische u nd wundheilungsfördernde
Wirkung auf biologische Systeme. Aufgrund
seiner antineoplastischen Eigenschaften stellt
es überdies eine potentielleintraoperative
Anwendungsmöglichkeit zur Behandlung von
Wund- und Resektionsränder in der aktuellen
Therapie urologischer Tumoren dar. Durch
eine Behandlung mit CA P kann das Wachstum
von urologischen Tumorzellen effektiv
gehemmt werden. Vorbehaltlich weiterer
Untersuchungen zu Wirkmechanismen,
aber auch zur Eindringtiefe in Gewebe und
der Wirkung auf physiologisch gesundes
Gewebe eröffnet die CAP-Behandlung neue
innovative Optionen in der urologischen
Onkologie. Der intraoperative Einsatz von
CAP wäre insbesondere in Bereichen denkbar,
dienaheankritischenStrukturen(Nerven,
andere Organe) liegen und daher nur mit
hohem Risiko chirurgisch resektiert werden
könnten. Der vorliegende Übersichtsartikel
fasst aktuelle Untersuchungen bezüglich
der biologischen Wirkungen von CAP auf
urologische Tumorzellen zusammen.
Schlüsselwörter
Physikalisches Plasma · Onkologische
Therapie · Intraoperativ · Uro-Onkologie ·
Neue Therapie
Cold atmospheric plasma for the treatment of urological tumors
Abstract
Cold atmospheric plasma (CAP) is a highly
reactive ionized physical state consisting of
electrically charged particles, radicals and
photons as well as electromagnetic radiation.
Due to the high energy and reactivity of
plasma components, physical plasmas
are also referred to as the 4th aggregate
state. In biological systems, CAP promotes
antimicrobial, immunomodulatory, anti-
inflammatory, and wound-healing effects.
Moreover, CAP bears antineoplastic proper-
ties which may be applied as a potential
intraoperative option in the treatment of
wound and resection margins during surgery
of urological tumors. Some properties such as
the penetration depth in various biological
tissues, the effect on physiological healthy
tissue, and the molecularmode of action
regarding signalling and effector pathways
are the subject of furtherinvestigation. CAP
treatment effectively attenuates malignant
cell growth. As an intraoperative application,
CAP may represent a promising option
particularly for the treatment of tissue regions
that are close to critical structures (e.g.,
nerves, adjacent organs). The present review
article summarizes the current status of
CAP-related studies in the field of urological
oncology.
Keywords
Physical plasma · Oncological therapy ·
Intraoperative · Uro-oncology · Novel therapy
Gefäßen liegen und bei chirurgischer
Behandlung nur mit hohem Risiko oder
gar nicht entfernt werden könnten. Die
sekundäre Behandlung dieser Resek-
tionsränder mit CAP, möglicherweise
unter Schonung des umliegenden ge-
sunden Gewebes, könnte chirurgische
Eingriffe in der Uroonkologie effektiver
und sicherer machen.
In-vitro-Experimente liefern erste
Hinweise, dass Krebszellen sensitiver auf
die CAP-Behandlung reagieren könnten,
als nicht-maligne Zellen. Jedoch ist die
Datenlage diesbezüglich noch unzurei-
chend, da bisher für den Vergleich mali-
gne vs. nicht-maligne unterschiedlicher
Zelltypen miteinander verglichen wur-
den [40,41]. Einer nicht unumstrittenen
Hypothese zufolge reagieren Krebszellen
sensitiver gegenüber Redoxstress und re-
agieren damit stärker auf CAP-Effekte
als physiologische Zellen [42–48].
Ferner konnte gezeigt werden, dass
eine CAP Behandlung einen günstigen
Einfluss auf die Narbenbildung besitzt
Der Urologe
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Tab. 1 Experimentelle Untersuchungen zum potentiellen Einsatz von physikalischem Plasma im Fachgebiet Urologie
Nr. Entität Modell CAP-Quelle Biologische Effekte Referenz
1PC Primäre Tumorzel-
len
Prototyp
(nicht-kommerziell)
Trägergas: Helium
Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen [55]
2BC
PC
Zellkultur
(SCaBER)
Prototyp
(nicht-kommerziell)
Trägergas: Helium
Hemmung von Wachstum; Induktion von A poptose; Änderung
von Zellmorphologie und Zelladhäsion
[51]
3BPH
PC
Zellkultur
(BPH-1, PC-3)
Prototyp
(nicht-kommerziell)
Trägergas: Helium
Hemmung von Wachstum und Kolonieb ildung;
Induktion von Apop tose, Nekrose, Autophagie und DNA-Schä-
den
[54]
4PC Zellkultur
(LNCaP, PC-3)
kINPen®MED
Neoplas Tools
Trägergas: Argon
Hemmung von Wachstum; Induktion von Apoptose; Aktivierung
von Redoxsystemen
[3]
5PC Zellkultur
(LNCaP)
kINPen09
Neoplas Tools
Trägergas: Argon
Hemmung von Wachstum; Induktion von Apoptose [52]
PC Prostatakarzinom, BC Harnblasenkarzinom, BPH benignes Prostataadenom, CAP „cold atmospheric plasma“
Apoptose
DNA-Fragmenerung
Zellmembran
Cytosol
H2O2, ROS/RNS,
+, -, ROO•,
RO•, O2-•,
CAP
Caspase 9
Caspase 3
Cytochrom c
H2O2
H2O2, ROS/RNS,
+, -, ROO•,
RO•, O2-•,
CAP
Prx, GPx
Kernmembran
p53 BAX
JNK 1/2
p38 MAPK
Mitochondrium
H2O2
H2O
Abb. 4 8Intrazelluläre Effekte nach CAP-Behandlung. Die Antikrebsaktivität von CAP wird durch die
Aktivierung der Zellsignalkaskade durchreaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS/RNS)und der
Dysfunktion der Mitochondrienbestimmt. Dabei spielt insbesondere H2O2eine wichtige Rolle. Es re-
duziert die M itochondrienmembran und führt zur Zerstörun gde s Mitochondriennetzwerkes und zu
ZellarrestundZelltod.DurchdieDepolarisierungderMitochondrienmembrankommteszu einer intra-
zellulären Akkumulation von ROSbzw. RNS und insbesondere H2O2. Parallel dazu aktivierenROS (v. a.
exogenenROS, meistens H2O2)die c-Jun NH2-terminale Kinase 1 und 2 (JNK1/2) und die „p38 mi togen
activated“ Proteinkinase (p38 MAPK;[31,58–61]). Dies führt in der Folge zu einerzusätzlichen Aktivie-
rung apoptotischer Kaskaden [62–65]
[49], was zu geringeren postoperativen
Komplikationen führen würde.
Für den Einfluss von CAP aufurologi-
sche Tumoren gibt es bisher nur experi-
mentelle Daten für das Blasen- sowie das
Prostatakarzinom (.Tab. 1). Tierexperi-
mentelle und klinische Untersuchungen
fehlen zurzeit noch vollständig.
Blasenkarzinom
Keidar et al. untersuchten an einem Bla-
senkarzinomzellmodell mit SCaBER-
Zellen die differentielle Genexpression
in Kontroll- und CAP-behandelten Zel-
len mittels eines Transkriptomikansatzes
(Genome-wide Human HT-12 v4 Ex-
pression BeadChip Array, Illumina, San
Diego, CA, USA). Die Autoren identi-
fizierten 264 Faktoren, die durch CAP-
Behandlung signifikant verändert bzw.
reguliert wurden [50,51]. Mehrheitlich
warendiesTranskriptevonzellulären
Faktoren wie Zelladhäsionsproteine und
Regulatoren vonZ ellwachstum und Zell-
tod. Die anschließende bioinformatische
Auswertung der Daten durch „ingenuity
pathwayanalysis“(IPA)zeigte, dass durch
die CAP-Behandlung hauptsächlich Si-
gnalkaskaden betroffen waren, die Zell-
entwicklung, Zellbeweglichkeit, Zelltod,
Signaltransduktion und Entzündungs-
prozesse kontrollieren. Diese regulieren
essentielle Prozesse bei Entstehung und
Progression maligner Zellen, so dass die
spezifische Modulation der Signal- und
Effektorkaskaden durch CAP-erapie
Progression und Tumorwachstum des
Blasenkarzinoms hemmen könnte.
Prostatakarzinom
Molekulare Untersuchungen zu CAP-Ef-
fekten in Prostatakarzinomzellen haben
grundlegende Wirkmechanismen des
physikalischen Plasmas aufgezeigt. Die
Behandlung der etablierten Prostatakar-
zinomzelllinie LNCaP zeigte deutlich
die wachstumshemmende Wirkung von
CAP. Bereits eine 10-s-Exposition ge-
genüber einer CAP-Quelle resultierte in
einer deutlichen Wachstumshemmung
der Zellen über einen Inkubationszeit-
raum von 120h [52]. Die Wachstumsin-
hibition war vergleichbar mit der Inku-
bation mit Docetaxel (10 μM) als einem
Der Urologe
etablierten erapeutikum. Nachfol-
gende molekularbiologische Analysen
der CAP-behandelten Zellen zeigten,
dass spezifische Mechanismen des pro-
grammierten Zelltods induziert wurden.
Sowohl p53, der zentrale Regulator von
ZellzyklusundApoptosealsauchdie
proapoptotischen Faktoren BAX, p21
und Caspase-3 wurden induziert und
aktiviert. Gleichzeitig kam es zu einer
Hemmungdes antiapoptotischenFaktors
Survivin, womit von einer spezifischen
Induktion apoptotischer Mechanismen
durch CAP ausgegangen werden kann
[39,52]. Weitere Analysen konnten da-
rüber hinaus belegen, dass es in CAP-
behandelten Zellen zu einer Änderung
der intrazellulären Redoxverhältnisse
kommt [3,53]. In Prostatakarzinom-
zellen (LNCaP, PC-3) führte die CAP-
Behandlung zu antiproliferativen Effek-
ten, die mittels TUNEL-Assays und Ana-
lyse der Kernmorphologie auf die Akti-
vierung apoptotischer Effektorkaskaden
zurückgeführt werden konnten. Die Ein-
leitung dieser Apoptose-Pathways führte
folglich auch zum nukleären Abbau und
DNA-Strangbrüchen [54,55]. Inkubati-
onsversuche mit Antioxidantien zeigten,
dassderantiproliferativeEffektdurchZu-
gabe von N-Acetylcystein, jedoch nicht
durch Vitamin-C-Zugabe neutralisiert
werden konnte [3,53]. Dieses Ergebnis
legt eine Beteiligung spezifischer Redox-
mechanismen nahe. Die Schutzfunkti-
on von N-Acetylcystein wurde darauf
zurückgeführt, dass die Substanz von
den Zellen zu Glutathion metabolisiert
werden konnte. Glutathion kann zum
Dimer oxidiert werden und ist dadurch
ein wichtiger Faktor der zellulären In-
aktivierung reaktiver Sauerstoffspezies.
DerintrazelluläreAnstiegderGluta-
thionkonzentration wurde begleitet von
einer Oxidierung der Peroxiredoxine
Prx1, Prx2 und Prx3. Demnach kann
vermutet werden, dass die Behandlung
mit CAP zu Änderungen der intrazellu-
lären Redoxverhältnisse führt, in dessen
Folge über spezifische Redoxsignalwege
apoptotische Kaskaden aktiviert werden.
Fazit für die Praxis
4In Zusammenschau der aufgeführten
Ergebnisse eröffnet der Einsatz von
CAP neue und vielversprechende
Möglichkeiten für die uroonkologi-
sche Chirurgie. Hierbei spielen v. a.
die antineoplastischen Effekte von
CAP eine wichtige Rolle. Aber auch
andere bisher charakterisierte Eigen-
schaften von CAP wie antiseptisches
Potenzial, verbesserte Wundhei-
lung und günstigerer Verlauf der
Narbenbildung prädestinieren die
CAP-Behandlung als Option für die
urologische Chirurgie.
4Sowohl seine intraoperative An-
wendung an urologischen Tumor-
geweben, als auch die potentielle
Zusatzoption einer CAP-Behandlung
von Wund- und Resektionsränder
bietet Erfolg versprechende Einsatz-
möglichkeiten.
Korrespondenzadresse
N. Gelbrich
Klinik und Poliklinik für Urologie, Universitäts-
medizin Greifswald
17475 Greifswald, Deutschland
nadine.gelbrich@uni-greifswald.de
Einhaltung ethischer Richtlinien
Interessenkonflikt. N.Gelbrich,M.B.Stopeund
M. Burchardtgeben an, dass kein Interessenkonflikt
besteht.
Dieser Beitrag beinhaltetkeine von den Autoren
durchgeführten Studien an Menschenoder Tieren.
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Der Urologe