Modelling in vitro cancer treatment with a plasma jet: simulations on macro- and microscopic scale

Promovendus/a: Pepijn Heirman

Promotor(en): Annemie Bogaerts

Sinds de ontdekking, intussen bijna 30 jaar geleden, dat koud atmosferisch plasma bacteriën onschadelijk kan maken, is onderzoek in het veld van plasmageneeskunde gegroeid tot een breed spectrum van mogelijke biomedische toepassingen. Dit omvat, onder andere, onderzoek naar verschillende strategieën om kanker te behandelen, aangezien aangetoond werd dat plasmabehandeling zowel in staat is kankercellen te doden alsook een immuunreactie tegen hen op te wekken. Hoewel in vivo onderzoek cruciaal is voor de vooruitgang van plasmageneeskunde in een klinische setting, ligt in vitro onderzoek nog steeds aan de basis van onze kennis over hoe plasmabehandeling cellen kan beïnvloeden. Op zijn beurt geven computersimulaties ons inzicht in de onderliggende mechanismen die niet te bereiken zijn met experimentele methoden. ​ ​

In deze thesis ontwikkelen we een 2D-axisymmetrisch vloeistofdynamica model, met als doel het onderzoeken van de transportfenomenen die voorkomen tijdens de behandeling van een wellplaat met een plasma jet, zoals typisch gedaan wordt tijdens in vitro onderzoek. Met dit model bestuderen we de fysische fenomenen die zich voordoen in het gesimuleerde systeem, en onderzoeken we voorbeelden waar een gebrek aan uniformiteit in onderzoek naar plasmageneeskunde, zowel experimenteel als computationeel, de directe vergelijking van resultaten bemoeilijkt. Ook gebruiken we moleculaire dynamica simulaties om meer inzicht te verkrijgen in de eigenlijke, biologische effecten die plasmabehandeling kan hebben op (kanker)cellen. Specifiek focussen we op het immunotherapeutische potentieel van plasmabehandeling door te onderzoeken hoe door plasma veroorzaakte oxidatie twee proteïnen beïnvloedt die belangrijk zijn voor de communicatie tussen kankercellen en NK-cellen, namelijk de proteïnen HLA-E en HLA-Cw4. Door onze simulaties te vergelijken met experimentele resultaten, demonstreren we de complexe chemische en biologische interactie tussen plasma en kankercellen, wat betreft de herkenning van kanker door NK-cellen. Deze resultaten bieden een interessant startpunt voor toekomstig onderzoek. ​ ​

Alles samen presenteren de bevindingen in deze thesis een dieper inzicht in de in vitro behandeling van kankercellen met een plasma jet op zowel macroscopische als microscopische schaal. We onderzoeken verschillende manieren waarop de geometrie van de gekozen opstelling de behandeling zelf kan beïnvloeden, hetgeen samen met andere bepalende parameters belangrijk is om in gedachten te houden bij zowel het uitvoeren als vergelijken van experimenten. Ook benadrukken we het belang van validatie en vergelijking van computationele resultaten. Ten slotte verkrijgen we meer inzicht in het immunotherapeutische potentieel van plasmabehandeling, met duidelijke paden voorwaarts voor toekomstig onderzoek.