Analysis of DNA strand breaks induced by exposure to an atmospheric pressure plasma jet

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26390096
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 栗田 弘史 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70512177)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: プラズマ医療応用 / 大気圧低温プラズマ / DNA切断

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、プラズマ医療における細胞応答の分子機構の解明に重要である、細胞内DNA損傷機構に着目した。プラズマ照射により水溶液中に生成する活性酸素種・活性窒素種 (RONS)がプラズマ医療応用において重要な役割を果たしていることがわかってきており、本研究で扱うプラズマ装置においても、OHラジカル・過酸化水素・硝酸イオン・亜硝酸イオンが溶液中に生成していることが昨年度の研究で明らかになった。今年度さらに検討を進めた結果、スーパーオキシドも生成していることが示され、併せてDNA切断へのペルオキシ亜硝酸の寄与も示唆された。
本研究では、前年度に5'末端を蛍光物質で、3'末端を消光物質で修飾した、ステムループ構造をとりうるオリゴヌクレオチド (Molecular beacon: MB)を利用した、蛍光プローブによるROS検出の迅速・簡便さとDNA損傷特異性を兼ね備えた方法を考案した。今年度さらにこの方法を用いて、プラズマ照射条件とDNA切断の関連を検討した結果、プラズマと液面との接触が極めて重要であり、これはOHラジカルの生成特性と極めて類似していることが分かった。このことからもDNA切断においてOHラジカルが重要な役割を果たしていることが推察される。
さらに、この実験系と人工細胞モデル(ベシクル)を組み合わせて、細胞内部へのDNA切断因子の浸透性を考察した。この実験では、MBをベシクルに内包させ、これに対してプラズマを照射した。その結果、プラズマ照射は人工細胞モデルを破壊しないが、その内部にDNA損傷を引き起こすことが示された。
以上の結果から細胞内DNAに影響を及ぼす活性種とその細胞内への浸透性が示され、本研究で開発したDNA切断解析手法は非常に有用であると考えられる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 南オーストラリア大学(オーストラリア)
  • Country Name: AUSTRALIA
  • Counterpart Institution: 南オーストラリア大学
• [Journal Article] Production of reactive oxygen and nitrogen species in a cell culture medium exposed to an atmospheric pressure plasma jet (2017)
  • Author(s): Hirofumi Kurita, Junichiro Miyamoto, Saki Miyachika, Yoshito Uchihashi, Hachiro Yasuda, Kazunori Takashima, and Akira Mizuno
  • Journal Title: MRS Advances Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1557/adv.2017.34
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Direct single-molecule observations of DNA unwinding by SV40 large tumor antigen under a negative DNA supercoil state (2017)
  • Author(s): S. Takahashi, S. Motooka, S. Kawasaki, H. Kurita, T. Mizuno, S. Matsuura, F. Hanaoka, A. Mizuno, M. Oshige, and S. Katsura
  • Journal Title: Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1080/07391102.2016.1269689
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fundamental study on a gene transfection methodology for mammalian cells using water-in-oil droplet deformation in a DC electric field (2016)
  • Author(s): H. Kurita, Y. Takao, K. Kishikawa, K. Takashima, R. Numano, and A. Mizuno
  • Journal Title: Biochemistry and Biophysics Reports Volume: 8 Pages: 81-88
  • DOI: 10.1016/j.bbrep.2016.08.001
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] How to assess the plasma delivery of RONS into tissue fluid and tissue (2016)
  • Author(s): J.-S. Oh, E. J. Szili, N. Gaur, S.-H. Hong, H. Furuta, H. Kurita, A. Mizuno, A. Hatta, and R. D. Short
  • Journal Title: Journal of Physics D: Applied Physics Volume: 49 Pages: 304005
  • DOI: 10.1088/0022-3727/49/30/304005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 大気圧低温プラズマ照射によって生じるDNA損傷の解析と活性種の同定 (2017)
  • Author(s): 宮近 沙希, 栗田 弘史, 上原 一馬, 安田 八郎, 高島 和則, 水野 彰
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [Presentation] DNA損傷に関わるプラズマ処理水中のラジカルの解析 (2017)
  • Author(s): 田中 慧, 安田 八郎, 虎走 里南, 宮近 沙希, 栗田 弘史, 高島 和則, 水野 彰
  • Organizer: 2017年度第18回静電気学会春期講演会
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2017-03-07 – 2017-03-07
• [Presentation] Rapid Analysis of DNA Damage Induced by Exposure to an Atmospheric Pressure Plasma Jet (2017)
  • Author(s): Hirofumi Kurita, Saki Miyachika, Hachiro Yasuda, Kazunori Takashima, and Akira Mizuno
  • Organizer: ISPlasma 2017 / IC-PLANTS 2017
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2017-03-01 – 2017-03-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanism of plasma-induced pore formation in artificial cell membranes (2017)
  • Author(s): Ryugo Tero, Kota Yusa, Yoshiyuki Suda, Yuu Hirose, Hirofumi Kurita, Akira Mizuno, Toru Harigai, and Hirofumi Takikawa
  • Organizer: ISPlasma 2017 / IC-PLANTS 2017
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2017-03-01 – 2017-03-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pore formation in artificial cell membranes induced by atmospheric pressure plasma (2017)
  • Author(s): Ryugo Tero, Kota Yusa, Kyohei Fukuda, Yoshiyuki Suda, Hachiro Yasuda, Hirofumi Kurita, Kazunori Takashima, Akira Mizuno, Yuu Hirose, Toru Harigai, Hirofumi Takikawa
  • Organizer: International Conference on Plasma Medical Science Innovation (ICPMSI) 2017
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2017-02-26 – 2017-02-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Endre Szili, Sung-Ha Hong, Nishtha Gaur, Jun-Seok Oh, Masafumi Ito, Akimitsu Hatta, Hiroshi Furuta, Hirofumi Kurita, Akira Mizuno, Rob Short (2017)
  • Author(s): Endre Szili, Sung-Ha Hong, Nishtha Gaur, Jun-Seok Oh, Masafumi Ito, Akimitsu Hatta, Hiroshi Furuta, Hirofumi Kurita, Akira Mizuno, Rob Short
  • Organizer: International Conference on Plasma Medical Science Innovation (ICPMSI) 2017
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2017-02-26 – 2017-02-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasma-induced chemical and physical performation and its applications of gene injection (2017)
  • Author(s): Yoko Yamanishi, Ryugo Tero, Satoshi Uchida, Kota Yusa, Kyohei Fukuda, Yoshiyuki Suda, Hachiro Yasuda, Hirofumi Kurita, Kazunori Takashima, Akira Mizuno, Yuu Hirose, Toru Harigai, Hirofumi Takikawa
  • Organizer: International Conference on Plasma Medical Science Innovation (ICPMSI) 2017
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2017-02-26 – 2017-02-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Production of reactive species and biomolecular damage induced by exposure to an atmospheric pressure plasma (2017)
  • Author(s): Hirofumi Kurita, Saki Miyachika, Junichiro Miyamoto, Hachiro Yasuda, Kazunori Takashima, and Akira Mizuno
  • Organizer: International Conference on Plasma Medical Science Innovation (ICPMSI) 2017
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2017-02-26 – 2017-02-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Irradiation of Dielectric Barrier Discharge Plasma to Lipid Bilayers Containing Cholesterol (2017)
  • Author(s): Yoshiyuki Suda, Kota Yusa, Hirofumi Kurita, Akira Mizuno, Toru Harigai, Hirofumi Takikawa, Ryugo Tero
  • Organizer: 第34回プラズマプロセシング研究会(SPP34)/第29回プラズマ材料科学シンポジウム(SPSM29)
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2017-01-16 – 2017-01-18
• [Presentation] 大気圧プラズマ照射による液中活性種生成と生体分子損傷 (2017)
  • Author(s): 栗田 弘史
  • Organizer: 第4回北陸プラズマ医療応用研究会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2017-01-05 – 2017-01-05
• [Presentation] Production of reactive oxygen and nitrogen species in a cell culture medium exposed to an atmospheric pressure plasma jet (2016)
  • Author(s): Hirofumi Kurita, Junichiro Miyamoto, Yoshito Uchihashi, Saki Miyachika, Hachiro Yasuda, Kazunori Takashima, and Akira Mizuno
  • Organizer: 2016 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2016-11-27 – 2016-12-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gene transfection using water-in-oil droplet bouncing in an electrostatic field (2016)
  • Author(s): Hirofumi Kurita, Hachiro Yasuda, Kazunori Takashima, Rika Numano, and Akira Mizuno
  • Organizer: 2016 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2016-11-27 – 2016-12-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of plasma-generated reactive species on physical properties of artificial cell membranes (2016)
  • Author(s): Kota Yusa, Yoshiyuki Suda, Hirofumi Kurita, Akira Mizuno, Toru Harigai, Hirofumi Takikawa, and Ryugo Tero
  • Organizer: 2016 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2016-11-27 – 2016-12-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズマ照射による生体分子損傷 (2016)
  • Author(s): 栗田 弘史
  • Organizer: 第15回プラズマ医療 サイエンスの扉・サイエンスカフェ
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2016-10-21 – 2016-10-21
  • Invited
• [Presentation] 水中気泡放電プラズマによる殺菌技術の開発と殺菌メカニズムの解明 (2016)
  • Author(s): 武田 雄大, 吉松 秀作, 栗田 弘史, 安田 八郎, 高島 和則, 水野 彰
  • Organizer: 第40回静電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 群馬大学
  • Year and Date: 2016-09-29 – 2016-09-30
• [Presentation] プラズマ照射培養液に含まれる長寿命活性種に対するヒト肺がん由来細胞株の細胞応答 (2016)
  • Author(s): 内橋 義人, 宮本 潤一郎, 栗田 弘史, 水野 和恵, 小野 亮, 安田 八郎, 高島 和則, 水野 彰
  • Organizer: 第40回静電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 群馬大学
  • Year and Date: 2016-09-29 – 2016-09-30
• [Presentation] プラズマ照射水中の長寿命活性種が人工細胞に与える影響 (2016)
  • Author(s): 福田 恭平, 安田 八郎, 手老 龍吾, 虎走 里南, 栗田 弘史, 高島 和則, 水野 彰
  • Organizer: 第40回静電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 群馬大学
  • Year and Date: 2016-09-29 – 2016-09-30
• [Presentation] 細胞培養液に照射する大気圧低温プラズマが長寿命活性種生成に与える影響 (2016)
  • Author(s): 宮本 潤一郎, 内橋 義人, 栗田 弘史, 安田 八郎, 高島 和則, 水野 彰
  • Organizer: 第40回静電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 群馬大学
  • Year and Date: 2016-09-29 – 2016-09-30
• [Presentation] 大気圧低温プラズマにおいて正負イオンが液中の活性種生成に及ぼす影響 (2016)
  • Author(s): 上原 一馬, 高島 和則, 栗田 弘史, 安田 八郎, 水野 彰
  • Organizer: 第40回静電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 群馬大学
  • Year and Date: 2016-09-29 – 2016-09-30
• [Presentation] プラズマ照射水によるタンパク質不活化反応の解析 (2016)
  • Author(s): 虎走 里南, 安田 八郎, 田中 慧, 浴 俊彦, 栗田 弘史, 高島 和則, 水野 彰
  • Organizer: 第40回静電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 群馬大学
  • Year and Date: 2016-09-29 – 2016-09-30
• [Presentation] 大気圧低温プラズマ照射により細胞培養液中に生成した長寿命活性種の解析 (2016)
  • Author(s): 宮本 潤一郎, 内橋 義人, 栗田 弘史, 安田 八郎, 高島 和則, 水野 彰,
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] コレステロール含有脂質二重膜への大気圧プラズマ照射 (2016)
  • Author(s): 湯佐 洸太, 須田 善行, 栗田 弘史, 水野 彰, 針谷 達, 滝川 浩史, 手老 龍吾
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Evaluation methods of DNA strand breaks induced by exposure to an atmospheric pressure plasma (2016)
  • Author(s): Hirofumi Kurita, Saki Miyachika, Hachiro Yasuda, Kazunori Takashima, and Akira Mizuno
  • Organizer: The 6th International Conference on Plasma Medicine (ICPM-6)
  • Place of Presentation: Bratislava, Slovakia
  • Year and Date: 2016-09-04 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of chemical species in plasma treated water essential for inactivation of cells and proteins (2016)
  • Author(s): Hachiro Yasuda, Satoshi Tanaka, Rina Kobashiri, Saki Miyachika, Hirofumi Kurita, Kazunori Takashima, and Akira Mizuno
  • Organizer: The 6th International Conference on Plasma Medicine (ICPM-6)
  • Place of Presentation: Bratislava, Slovakia
  • Year and Date: 2016-09-04 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Degeneration of artificial cell membranes induced by plasma-generated reactive oxygen species (2016)
  • Author(s): Ryugo Tero, Kota Yusa, Hirofumi Kurita, Akira Mizuno, Hirofumi Takikawa, and Yoshiyuki Suda
  • Organizer: The 6th International Conference on Plasma Medicine (ICPM-6)
  • Place of Presentation: Bratislava, Slovakia
  • Year and Date: 2016-09-04 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of DNA strand breaks induced by exposure to an atmospheric pressure plasma jet (2016)
  • Author(s): Hirofumi Kurita, Saki Miyachika, Hachiro Yasuda, Kazunori Takashima, and Akira Mizuno
  • Organizer: 2016 IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS)
  • Place of Presentation: Banff, Canada
  • Year and Date: 2016-06-20 – 2016-06-25
  • Int'l Joint Research