Effects of non-invasive physical plasma (NIPP) on the ECM and cells responsible for postoperative intraabdominal adhesions

Abstract

Intraabdominelle postoperative Adhäsionen stellen weiterhin ein großes Problem in den chirurgischen Fächern der Medizin dar, da sie für eine große Anzahl an ernstzunehmenden und teils auch lebensbedrohlichen Erkrankungen verantwortlich sind. Die bisher verfügbaren Ansätze zur Prävention und Behandlung haben keinen klinisch durchschlagenden Erfolg gebracht. Der Einsatz von Plasma-aktivierten Medien (PAM) stellt hierbei eine vielversprechende Methode dar. In dieser Arbeit wurde der Effekt von PAM auf Zellen und zelluläre Faktoren untersucht, welche für die Entstehung von Adhäsionen verantwortlich sind. Zwei Hauptkomponenten extrazellulärer Matrix (ECM) – Fibronektin und Kollagen – werden insbesondere von Fibroblasten synthetisiert und stellen zwei Hauptbestandteile in der Adhäsionsentstehung dar. PAM-Behandlung von primär-isolierten Fibroblasten führte zu anti-proliferativen Effekten und Änderung der Expression o.g. ECM-Faktoren. Durch die Detektion einer signifikanten Verringerung von Hydroxyprolin durch PAM, konnte auf eine verminderte Kollagen-Synthese rückgeschlossen werden. Auch Fibronektin wurde nach PAM-Behandlung signifikant vermindert nachgewiesen. Typ 1 und 2 Matrixmetalloproteinasen (MMP) spielen eine wichtige Rolle bei der Umwandlung und dem Abbau von ECM und wurden durch die PAM-Behandlung signifikant in ihrer Funktion beeinflusst. Durch kontaktlose und Marker-unabhängige Raman-Mikrospektroskopie wurden Veränderungen von Proteinen als auch von Lipiden und der DNA in Fibroblasten detektiert. Pro- und antiinflammatorische Zytokine spielen eine wesentliche regulatorische Rolle in der Adhäsiogenese. PAM-Behandlung reduzierte die extrazellulären Level von TGF- beta, ein Zytokin mit sowohl proinflammatorischen als auch pro-adhäsiogenen Eigenschaften. Das Zusammenspiel von antiproliferativen Eigenschaften, der verminderten Expression von essenziellen ECM-Bestandteilen und der Reduktion pro-inflammatorischer Zytokine könnte eine zielgerichtete anti-adhäsiogene intraoperative Gewebebehandlung ermöglichen. Zusammengefasst stellt die Behandlung mit PAM daher eine aussichtsreiche Methode zur Prävention und Behandlung von postoperativen Adhäsionen und anderen inflammatorischen Erkrankungen dar.

Postoperative intraabdominal adhesions remain a serious problem in many surgical specialties responsible for a variety of serious and partly even life-threatening clinical disorders. Several approaches in prevention and treatment have been made but with no clear clinical benefits. Administration of plasma activated media (PAM) represents a promising treatment option. In this study, the effect of PAM on cells and components responsible for increased adhesion formation was evaluated. Two main components of the extracellular matrix (ECM) – collagen and fibronectin – are mainly synthesized by fibroblasts and represent two main parts in adhesion formation. By PAM treatment of primarily isolated fibroblasts, antiproliferative effects and modification of the above- mentioned ECM components were detected. Significant decreased hydroxyproline after PAM treatment indicated a reduced collagen synthesis. Fibronectin was also significantly reduced after treatment. Playing part in the ECM transformation and degradation process, type 1 and 2 matrix metalloproteinases (MMP) were examined as well. Changes were detected in both MMP-1 and MMP-2 after PAM treatment. Modifications in proteins as well as in lipids and the DNA of fibroblasts were observed by contactless and marker independent Raman microspectroscopy. Various pro- as well as anti-inflammatory cytokines modulate adhesiogenesis. PAM treatment efficiently reduced extracellular TGF-beta levels - a cytokine with pro- inflammatory and pro-adhesiogenic properties. The interaction of anti-proliferative properties, decreased expression of essential ECM- components and the reduction of pro-inflammatory cytokines might enable a targeted anti-adhesiogenic intraoperative tissue treatment. In conclusion, PAM outlines a promising method for prevention and treatment of postoperative intraabdominal adhesions and other inflammatory diseases.