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Studi precedenti hanno dimostrato che il plasma può disattivare le cellule tumorali in vitro, sopprimere la crescita tumorale in vivo e potenzialmente indurre l’immunità antitumorale.
Il trattamento con plasma a bassa temperatura sta emergendo come una nuova terapia antitumorale.
Studi precedenti hanno dimostrato che il plasma può disattivare le cellule tumorali in vitro, sopprimere la crescita tumorale in vivo e potenzialmente indurre l’immunità antitumorale.
I ricercatori dell’Università di Tokyo stanno studiando un’altra promettente applicazione: l’uso del plasma per inibire la recidiva del tumore dopo un intervento chirurgico.
L’autore principale Ryo Ono e colleghi hanno dimostrato che il trattamento dei siti di resezione del cancro con la scarica streamer – un tipo di plasma atmosferico a bassa temperatura – ha ridotto significativamente il tasso di recidiva dei tumori del melanoma nei topi. Lo studio è riportato nel Journal of Physics D: Applied Physics.
“Riteniamo che il plasma sia più efficace se utilizzato come terapia adiuvante piuttosto che come trattamento autonomo, il che ci ha portato a concentrarci sul trattamento post-chirurgico in questo studio”, afferma Ono.
Esperimenti in vivo
Per creare la scarica dello streamer, il team ha applicato un impulso ad alta tensione (25 kV, 20 ns, 100 impulsi/s) a un elettrodo a barra di 3 mm di diametro con una punta emisferica. L
‘asta è stata collocata in un tubo di quarzo con un diametro interno di 4 mm e il gas di lavoro – ossigeno umido mescolato con aria ambiente – è stato fatto fluire attraverso il tubo.
Quando gli elettroni nel plasma si scontrano con le molecole nel gas, la miscela genera specie reattive citotossiche di ossigeno e azoto.
I ricercatori hanno eseguito tre esperimenti su topi con melanoma, un tumore della pelle con un tasso di recidiva locale fino al 10%.
Nel primo esperimento, hanno iniettato 11 topi con cellule di melanoma di topo, resecando i tumori risultanti otto giorni dopo.
Hanno quindi trattato cinque dei topi con scarica streamer per 10 minuti, con il topo posizionato su una piastra messa a terra e la punta dell’elettrodo a 10 mm sopra il sito di resezione.
La recidiva del tumore si è verificata in cinque dei sei topi di controllo (nessun trattamento al plasma) e in due dei cinque topi trattati con plasma, corrispondenti a tassi di recidiva rispettivamente dell’83% e del 40%.
In un secondo esperimento con gli stessi parametri, i tassi di recidiva sono stati del 44% in nove topi di controllo e del 25% in otto topi trattati con plasma.
In un terzo esperimento, i ricercatori hanno ritardato l’intervento chirurgico fino a 12 giorni dopo l’iniezione delle cellule, aumentando le dimensioni del tumore prima della resezione.
Ciò ha portato a un tasso di recidiva del 100% nel gruppo di controllo di cinque topi.
È stata osservata una sola recidiva in cinque topi trattati con plasma, anche se un topo morto per cause sconosciute è stato conteggiato come recidiva, con un tasso di recidiva del 40%.
Tutti gli esperimenti hanno dimostrato che il trattamento con plasma ha ridotto il tasso di recidiva di circa il 50%. I ricercatori osservano che il trattamento al plasma non ha influito sulla salute generale degli animali.
Meccanismi citotossici
Per confermare ulteriormente la citotossicità della scarica dello streamer, Ono e colleghi hanno trattato cellule di melanoma in coltura per un periodo compreso tra 0 e 250 s, a una distanza elettrodo-superficie di 10 mm.
Le cellule sono state quindi incubate per 3, 6 o 24 ore. Dopo trattamenti al plasma fino a 100 s, la maggior parte delle cellule era ancora vitale 24 ore dopo.
Ma tra i 100 e i 150 secondi di trattamento, il tasso di sopravvivenza cellulare è diminuito rapidamente.
L’esperimento ha anche rivelato una rapida transizione dall’apoptosi (morte cellulare programmata naturale) all’apoptosi/necrosi tardiva (morte cellulare dovuta a tossine esterne) tra 3 e 24 ore dopo il trattamento.
Infatti, 24 ore dopo un trattamento al plasma di 150 secondi, il 95% delle cellule morte era nelle fasi avanzate di apoptosi/necrosi.
Questa scoperta suggerisce che la citotossicità osservata può derivare dall’induzione diretta di apoptosi e necrosi, combinata con l’inibizione della crescita cellulare in punti temporali estesi.
In un precedente esperimento, i ricercatori hanno utilizzato lo scarico dello streamer per trattare i tumori nei topi prima della resezione.
Questo trattamento ha ritardato la ricrescita del tumore di almeno sei giorni, ma tutti i topi hanno comunque sperimentato una recidiva locale.
Al contrario, nel presente studio, il trattamento con plasma ha ridotto il tasso di recidiva.
La differenza può essere dovuta a diversi meccanismi con cui il plasma inibisce la recidiva del tumore: specie reattive citotossiche che uccidono le cellule tumorali residue nel sito di resezione; o specie reattive che innescano la morte cellulare immunogenica. Il team osserva che uno o entrambi questi meccanismi potrebbero verificarsi nello studio attuale.
«Inizialmente, abbiamo considerato la scarica degli streamer come il principale fattore che contribuisce all’effetto terapeutico, in quanto è la fonte primaria di specie altamente reattive a vita breve», spiega Ono.
“Tuttavia, recenti esperimenti suggeriscono che la scarica all’interno del tubo di quarzo genera anche una quantità significativa di specie reattive a lunga vita (con tempi di vita tipicamente superiori a 0,1 s), che possono contribuire all’effetto terapeutico”.
Un vantaggio del dispositivo di scarica streamer è che utilizza solo aria ambiente e ossigeno, senza richiedere i gas nobili impiegati in altri plasmi atmosferici freddi.
“Inoltre, poiché diversi tipi di plasma generano diverse specie reattive, abbiamo ipotizzato che la scarica dello streamer potrebbe produrre un effetto terapeutico unico”, afferma Ono.
“Condurre esperimenti in vivo con diverse fonti di plasma sarà una direzione importante per la ricerca futura”.
Guardando al futuro dell’uso in clinica, Ono ritiene che il basso costo del dispositivo e il suo funzionamento dovrebbero rendere fattibile l’uso del trattamento al plasma immediatamente dopo la resezione del tumore per ridurre il rischio di recidiva.
Immagine: Ryo Ono/J. Phys. D: Appl. Phys. 10.1088/1361-6463/ada98c
