气体等离子体技术通过非过氧化氢依赖机制介导深层组织抗癌效应

本研究针对气体等离子体产生的活性氧物种(ROS/RNS)在组织中的渗透特性及其抗癌机制这一关键科学问题，通过建立3D水凝胶胰腺癌模型，首次证实短寿命活性物种(如过氧亚硝酸盐ONOO-)能实现深层组织渗透并发挥抗癌作用，且该效应独立于过氧化氢(H2O2)。研究创新性地采用z轴高内涵成像技术，揭示了活性物种在类组织环境中的渗透规律，为优化等离子体抗癌治疗提供了重要理论依据。

　　

在癌症治疗领域，活性氧物种(ROS)的双刃剑特性一直备受关注。虽然ROS可作为抗癌武器，但其在组织中的渗透特性和具体效应分子仍如"暗箱"般难以捉摸。传统二维细胞培养模型因存在液体覆盖形成的"自由基汇"，导致长寿命物种(如H₂O₂)的作用被夸大，而短寿命活性物种的真实生物学效应却被掩盖。这种认知偏差严重制约了气体等离子体等ROS生成技术在肿瘤治疗中的精准应用。

德国莱布尼茨等离子体科学与技术研究所(INP)和罗斯托克大学医学中心的研究团队在《TRENDS IN Biotechnology》发表的研究，通过创新性地构建3D水凝胶肿瘤模型，结合z轴分辨率的高内涵成像技术，首次系统揭示了气体等离子体产生的活性物种在类组织环境中的渗透规律和抗癌机制。研究发现，短寿命活性物种如过氧亚硝酸盐(ONOO^-)表现出惊人的组织渗透能力，而传统认为起主导作用的H₂O₂在组织样环境中却显示出可忽略的贡献。

研究团队采用了多项关键技术：3D水凝胶模型的构建与表征、嵌入式荧光氧化还原探针技术、z轴高内涵成像分析、肿瘤类器官培养、鸡胚绒毛尿囊膜(TUM-CAM)肿瘤模型、离体患者组织处理等。这些技术共同构成了研究复杂组织环境中活性物种行为的完整方法学体系。

主要研究结果

水凝胶组织中活性物种的渗透特性

通过将荧光探针(HPF、APF、DAF)嵌入胶原水凝胶，研究发现气体等离子体产生的OH和ONOO^-能渗透至1500μm深度，且渗透深度与处理时间呈正相关。而NO的沉积未能检测到。特别值得注意的是，加入过氧化氢酶(catalase)虽能消除H₂O₂，却不影响ONOO^-等短寿命物种的渗透特性。

水凝胶肿瘤模型中的细胞氧化和毒性

在嵌入胰腺癌细胞的3D模型中，细胞氧化和死亡呈现明显的轴向梯度分布，从处理表面向深处递减。令人惊讶的是，过氧化氢酶的加入虽能消除细胞氧化，却无法挽救细胞死亡，提示H₂O₂并非介导细胞毒性的主要效应分子。

肿瘤球体的生长抑制

气体等离子体处理显著延缓了水凝胶中肿瘤球体的生长和基质侵袭，且这种效应同样不受过氧化氢酶的影响。相比之下，高浓度H₂O₂处理对球体生长无显著影响，进一步证实H₂O₂在组织样环境中的有限作用。

鸡胚肿瘤模型的验证

在更具生理复杂性的鸡胚绒毛尿囊膜肿瘤模型中，气体等离子体显著降低了肿瘤负荷，而过氧化氢酶的预处理未能逆转这种抗肿瘤效应。肿瘤组织学分析显示，凋亡细胞可深达950μm。

肿瘤切除模型的建立

研究创新性地构建了模拟肿瘤切除后的3D模型，证实气体等离子体处理能有效杀灭"切除边缘"的残留肿瘤细胞。这种径向扩散效应随处理时间延长而增强，且需要极高浓度的H₂O₂才能模拟类似效果。

患者组织样本的验证

在离体处理的患者包皮样本中，气体等离子体处理未检测到显著的H₂O₂生成，但能诱导明显的局部细胞凋亡，与前述模型结果高度一致。

这项研究通过多层次实验体系，颠覆了传统认为H₂O₂是气体等离子体主要效应分子的观点，确立了短寿命活性物种在组织环境中的主导地位。研究建立的3D水凝胶模型不仅为解析复杂组织中的活性物种行为提供了标准化平台，更为优化气体等离子体肿瘤治疗策略指明了方向——应当着重提升短寿命活性物种的生成和递送效率，而非单纯追求H₂O₂等长寿命物种的产量。这一发现对推动气体等离子体技术在肿瘤手术辅助治疗等临床转化应用具有重要指导价值。