感染症拡大抑制に資する低温プラズマ及びプラズマ活性溶液の開発

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K18616
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 田中 宏昌 名古屋大学, 低温プラズマ科学研究センター, 教授 (00508129)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: 低温プラズマ / プラズマ活性溶液 / プラズマ活性乳酸リンゲル液 / コロナウイルス / SARS-Cov2

Outline of Annual Research Achievements

ベルリサーチセンター小屋博士と共同で、BSL2で取り扱いが可能なヒトコロナウイルスOC43の実験系を立ち上げた。宿主細胞としてはVero細胞を用い、プラークアッセイによりOC43の感染能を評価する実験系を立ち上げた。様々な条件でプラズマ活性乳酸リンゲル液（PAL）を作製し、コントロールである乳酸リンゲル液に対するコロナウイルス不活化能を調べた。感作時間として、15分と60分を試したが、15分の感作時間でもPALのコロナウイルス不活化能が確認された。低温プラズマと液面との照射距離の短い「Strong PAL」と照射距離の長い「Mild PAL」を作製し比較したところ、Strong PALの原液は宿主細胞に対して毒性を示すのに対し、16倍希釈のPALは宿主細胞にはダメージを与えず、コロナウイルス不活化能を示した。更にMild PALでは、16倍希釈のStrong PALよりも過酸化水素濃度は低いにも関わらず、大きな殺傷効果を示すことが分かった。以上の結果を元に、受託解析によりMild PALの豚コロナウイルス（PVDE）に対する不活化能と新型コロナウイルスSARS-Cov2デルタ株に対する不活化能を調べたところ、これらのウイルスに対してもMild PALはコントロールに比べ十分な不活化能を持つことが分かった。以上の結果からPALが新型コロナウイルスなどのコロナウイルスに対して不活化能を示すことが証明された。今後、Strong PALとMild PALの違いとして、活性酸素窒素種の違いや乳酸ナトリウムのプラズマ反応生成物の違いなどに着目し、PALによるコロナウイルス不活化の機構解明を行いたいと考えている。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

BSL2で取り扱い可能なヒトコロナウイルスOC43の実験系が立ち上がったことにより、様々な条件で作製されたプラズマ活性溶液のコロナウイルス不活化能を調べることが可能となった。今回はStrong PALとMild PALのコロナウイルス不活化能の比較を行い、Mild PALの方が宿主へのダメージが少なく、コロナウイルスの不活化能が高いことが分かった。以上の結果はプラズマ活性溶液の作製法を最適化することにより、生体へのダメージが少なく、コロナウイルスを不活化できるプラズマ活性溶液を開発可能であることを示唆しており、当初の計画以上に進展していると言える。また、OC43の実験系で優れたウイルス不活化能を示したMild PALについて受託解析により豚コロナウイルスや新型コロナウイルスSARS-Cov2デルタ株に対する不活化能を調べたところ、これらのウイルスでもMild PALが不活化能を示すことが分かった。以上の結果はOC43の実験系がその他のコロナウイルスの系にも適用可能であることを示しており、当初の計画以上に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今年度の実験により、Strong PALの16倍希釈液に比べ、Mild PALは過酸化水素濃度が高いにも関わらずコロナウイルスへの不活化能が高いことが分かった。Strong PALの16倍希釈液とMild PALの違いの１つとして、亜硝酸イオン濃度がMild PALの方がStrong PALの16倍希釈液に比べ10倍以上高いことが挙げられる。亜硝酸イオン濃度が高いことがコロナウイルスの不活化能上昇と関係しているかどうかを調べるために、完全閉鎖型のプラズマ活性溶液作製装置を用い、アルゴン雰囲気化でプラズマ活性溶液を作製し、窒素ガス添加によるPALのコロナウイルス不活化能の違いを調べる。また、アルゴン雰囲気化で、窒素ガスや酸素ガスを様々な混合比で添加することにより、コロナウイルス不活化能におけるPALの最適化を試みる。更に、Mild PALにおける同等濃度の過酸化水素、亜硝酸イオン、過酸化水素＋亜硝酸イオンを未照射乳酸リンゲル液に加えた溶液を用いてコロナウイルス不活化能を調べることにより、コロナウイルス不活化能が活性酸素窒素種によるものなのか？それ以外の効果によるものなのかを調べる。活性酸素窒素種以外の要因としては、乳酸ナトリウムのプラズマ反応生成物の寄与が考えられ、これまでの我々の研究で、プラズマ照射乳酸ナトリウムの反応生成物として、酢酸、ギ酸、ピルビン酸、2,3-ジメチル酒石酸、グリオキシル酸など各種反応生成物を同定しているため、これらのうちでどれがコロナウイルス不活化に関与しているかを調べる。

Research Products

• [Journal Article] Low Temperature Plasma for Biology, Hygiene, and Medicine: Perspective and Roadmap (2022)
  • Author(s): Mounir Laroussi, Sander Bekeschus, Michael Keidar, Annemie Bogaerts, Alexander Fridman, XinPei Lu, Kostya (Ken)Ostrikov, Masaru Hori,Hiromasa Tanaka, DaWei Liu, Dayun Yan, and Maksudbek Yusupov
  • Journal Title: IEEE Transaction on Radiation and Plasma Medical Sciences Volume: 0 Pages: 27~157
  • DOI: 10.48550/arXiv.2108.03158
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tetrachloroaurate (III)-induced oxidation increases non-thermal plasma-induced oxidative stress (2022)
  • Author(s): Okazaki Yasumasa、Sasaki Kanako、Ito Nanami、Tanaka Hiromasa、Matsumoto Ken-Ichiro、Hori Masaru、Toyokuni Shinya
  • Journal Title: Free Radical Research Volume: 56 Pages: 17～27
  • DOI: 10.1080/10715762.2022.2026348
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scaffolds with isolated carbon nanowalls promote osteogenic differentiation through Runt-related transcription factor 2 and osteocalcin gene expression of osteoblast-like cells (2022)
  • Author(s): Ichikawa Tomonori、Ishikawa Kenji、Tanaka Hiromasa、Shimizu Naohiro、Hori Masaru
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 12 Pages: 025216～025216
  • DOI: 10.1063/5.0075530
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A novel and distinctive mode of cell death revealed by using non-thermal atmospheric pressure plasma: The involvements of reactive oxygen species and the translation inhibitor Pdcd4 (2021)
  • Author(s): Eto Ko、Ishinada Chiaki、Suemoto Takuya、Hyakutake Keiichiro、Tanaka Hiromasa、Hori Masaru
  • Journal Title: Chemico-Biological Interactions Volume: 338 Pages: 109403～109403
  • DOI: 10.1016/j.cbi.2021.109403
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plasma-Treated Solutions (PTS) in Cancer Therapy (2021)
  • Author(s): Tanaka Hiromasa、Bekeschus Sander、Yan Dayun、Hori Masaru、Keidar Michael、Laroussi Mounir
  • Journal Title: Cancers Volume: 13 Pages: 1737～1737
  • DOI: 10.3390/cancers13071737
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hydrogen peroxide in lactate solutions irradiated by non-equilibrium atmospheric pressure plasma (2021)
  • Author(s): Liu Yang、Ishikawa Kenji、Miron Camelia、Hashizume Hiroshi、Tanaka Hiromasa、Hori Masaru
  • Journal Title: Plasma Sources Science and Technology Volume: 30 Pages: 04LT03～04LT03
  • DOI: 10.1088/1361-6595/abbbd4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Brain cell proliferation in adult rats after irradiation with nonequilibrium atmospheric pressure plasma (2021)
  • Author(s): Yamato Masanori、Tamura Yasuhisa、Tanaka Hiromasa、Ishikawa Kenji、Ikehara Yuzuru、Hori Masaru、Kataoka Yosky
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 14 Pages: 067002～067002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac03c1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lysosomal nitric oxide determines transition from autophagy to ferroptosis after exposure to plasma-activated Ringer's lactate (2021)
  • Author(s): Jiang Li、Zheng Hao、Lyu Qinying、Hayashi Shotaro、Sato Kotaro、Sekido Yoshitaka、Nakamura Kae、Tanaka Hiromasa、Ishikawa Kenji、Kajiyama Hiroaki、Mizuno Masaaki、Hori Masaru、Toyokuni Shinya
  • Journal Title: Redox Biology Volume: 43 Pages: 101989～101989
  • DOI: 10.1016/j.redox.2021.101989
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhancement of ethanol production and cell growth in budding yeast by direct irradiation of low-temperature plasma (2021)
  • Author(s): Tanaka Hiromasa、Matsumura Shogo、Ishikawa Kenji、Hashizume Hiroshi、Ito Masafumi、Nakamura Kae、Kajiyama Hiroaki、Kikkawa Fumitaka、Ito Mikako、Ohno Kinji、Okazaki Yasumasa、Toyokuni Shinya、Mizuno Masaaki、Hori Masaru
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Pages: SA1007～SA1007
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac2037
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low temperature plasma irradiation products of sodium lactate solution that induce cell death on U251SP glioblastoma cells were identified (2021)
  • Author(s): Tanaka Hiromasa、Hosoi Yugo、Ishikawa Kenji、Yoshitake Jun、Shibata Takahiro、Uchida Koji、Hashizume Hiroshi、Mizuno Masaaki、Okazaki Yasumasa、Toyokuni Shinya、Nakamura Kae、Kajiyama Hiroaki、Kikkawa Fumitaka、Hori Masaru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Pages: 18488
  • DOI: 10.1038/s41598-021-98020-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-thermal plasma-induced DMPO-OH yields hydrogen peroxide (2021)
  • Author(s): Okazaki Yasumasa、Tanaka Hiromasa、Matsumoto Ken-Ichiro、Hori Masaru、Toyokuni Shinya
  • Journal Title: Archives of Biochemistry and Biophysics Volume: 705 Pages: 108901～108901
  • DOI: 10.1016/j.abb.2021.108901
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plasma‐activated Ringer's lactate solution inhibits the cellular respiratory system in HeLa cells (2021)
  • Author(s): Tanaka Hiromasa、Maeda Shogo、Nakamura Kae、Hashizume Hiroshi、Ishikawa Kenji、Ito Mikako、Ohno Kinji、Mizuno Masaaki、Motooka Yashiro、Okazaki Yasumasa、Toyokuni Shinya、Kajiyama Hiroaki、Kikkawa Fumitaka、Hori Masaru
  • Journal Title: Plasma Processes and Polymers Volume: 18 Pages: 2100056～2100056
  • DOI: 10.1002/ppap.202100056
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cancer Treatments Using Low-Temperature Plasma (2021)
  • Author(s): Tanaka Hiromasa、Mizuno Masaaki、Ishikawa Kenji、Toyokuni Shinya、Kajiyama Hiroaki、Kikkawa Fumitaka、Hori Masaru
  • Journal Title: Current Medicinal Chemistry Volume: 28 Pages: 8549～8558
  • DOI: 10.2174/0929867328666210629121731
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Indirect plasma application (2021)
  • Author(s): Hiromasa Tanaka and Masaru Hori
  • Organizer: 7th International Workshop on Plasma for Cancer Treatment (IWPCT-2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Analysis of Cellular Respiration in Plasma-activated Solutions-treated Cancer (2021)
  • Author(s): H. Tanaka, S. Maeda, M. Mizuno, K. Ishikawa, K. Nakamura, H. Kajiyama, Y. Okazaki, S. Toyokuni, M. Ito, K. Ohno, F. Kikkawa, and M. Hori
  • Organizer: 8th International Conference on Plasma Medicine
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comprehensive analyses revealed the differences of cell death mechanisms between PAM- and PAL-treated glioblastoma. (2021)
  • Author(s): Hiromasa Tanaka, Masaaki Mizuno, Kenji Ishikawa, Hiroshi Hashizume, Yasumasa Okazaki, Shinya Toyokuni, Kae Nakamura, Hiroaki Kajiyama, Fumitaka Kikkawa, and Masaru Hori
  • Organizer: Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering (AEPSE 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Components in plasma-activated Ringer’s lactate solution that induce cell death on U251SP glioblastoma cells (2021)
  • Author(s): Hiromasa Tanaka, Yugo Hosoi, Kenji Ishikawa, Jun Yoshitake, Takahiro Shibata, Koji Uchida, Hiroshi Hashizume, Masaaki Mizuno, Yasumasa Okazaki, Shinya Toyokuni, Kae Nakamura, Hiroaki Kajiyama, Fumitaka Kikkawa, and Masaru Hori
  • Organizer: The12th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology (APSPT-12)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cellular Respiration System Affected by Low-temperature Plasma (2021)
  • Author(s): Hiromasa Tanaka, Shogo Maeda, Shogo Matsumura, Masaaki Mizuno, Kenji Ishikawa, Masafumi Ito, Hiroshi Hashizume, Mikako Ito, Kinji Ohno, Kae Nakamura, Hiroaki Kajiyama, Fumitaka Kikkawa, Yasumasa Okazaki, Shinya Toyokuni, and Masaru Hori
  • Organizer: 31st Material Research Society in Japan (MRS-J)
  • Int'l Joint Research