Atomic scale simulations for a better insight in plasma medicine

Datum: 1 juli 2014

Locatie: Auditorium Kinsbergen (UZA) - Wilrijkstraat 10 - 2650 Edegem

Tijdstip: 15 uur

Organisatie / co-organisatie: Faculteit Wetenschappen - Departement Chemie

Promovendus: Maksudbek Yusupov

Promotor: Prof. dr. Annemie Bogaerts, prof. dr. Erik Neyts

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Maksudbek Yusupov - Faculteit Wetenschappen, Departement Chemie



Abstract

De toepassing van koude plasma’s bij atmosfeerdruk in de geneeskunde vereist een goede controle over de processen die plaatsgrijpen in het plasma zelf, alsook aan het oppervlak van de behandelde cellen en weefsels.Ondanks de vele experimentele studies in plasmageneeskunde, o.a. voor de inactivatie van bacteriën, is het fundamentele inzicht in de onderliggende mechanismen vooralsnog ruimschoots ontoereikend. Computer simulaties kunnen erg gedetailleerde informatie leveren omtrent deze mechanismen en processen. Deze informatie is enerzijds vaak complementair aan de beschikbare experimentele gegevens, maar anderzijds bovendien experimenteel soms slechts zeer moeilijk of zelfs onmogelijk te bekomen. Daarom heb ik in dit werk de interactiemechanismen van belangrijke plasmadeeltjes met het oppervlak van bacteriën onderzocht.

Als modelsysteem heb ik het oppervlak van bacteriën gekozen, vermits plasmadeeltjes hiermee direct kunnen interageren, en dit ook de eerste structuren zijn waarmee plasmadeeltjes zullen interageren. Een belangrijke structuur aan het oppervlak van grampositieve bacteriën is peptidoglycaan (PG). In gramnegatieve bacteriën is lipopolysaccharide (LPS) een belangrijke structuur. Het belangrijkste onderdeel van LPS is lipide-A, vermits dit deel verantwoordelijk is voor de endotoxiciteit van LPS. Afbraak van deze structuren kan leiden tot de deactivatie van bacteriën. Daarnaast is geweten dat de meeste bio-organismen (met inbegrip van bacteriën) omgeven worden door een vloeibare film (de zogenaamde biofilm), die hoofdzakelijk bestaat uit water. Vooraleer de plasmadeeltjes het eigenlijke bio-organisme bereiken, zullen ze dus eerst interageren met deze biofilm. Daarom is het essentieel om ook het gedrag van de plasmadeeltjes met water te bestuderen, om zo te bepalen of de plasmadeeltjes doorheen de waterlaag kunnen getransporteerd worden en zo de biomoleculen kunnen bereiken, en of er mogelijkerwijze onderweg nieuwe deeltjes gevormd worden. Daarom heb ik in dit werk de interactie van belangrijke plasmadeeltjes met PG, lipide-A en een waterlaag bestudeerd aan de hand van reactieve moleculaire dynamica simulaties, gericht op een beter inzicht in plasma desinfectie. De bestudeerde plasmadeeltjes zijn reactieve zuurstofdeeltjes ('Reactive Oxygen Species', of ROS), en in het bijzonder O, OH, O3, HO2, H2O2, alsook O2 en H2O.

De interactie van ROS met PG. De interactiemechanismen van ROS met PG zijn in detail bestudeerd. Uit de simulaties blijkt dat O2 en H2O geen structurele schade toebrengen aan PG, maar enkel niet-bindende interacties aangaan door middel van waterstofbruggen. De andere plasmadeeltjes, nl. O, O3, OH en H2O2, veroorzaken wel de dissociatie van structureel belangrijke bindingen in PG, nl. van C–O, C–C en C–N bindingen. Deze dissociaties kunnen vervolgens leiden tot een afbraak van de bacteriële celwand. De uitgevoerde simulaties tonen aan dat O3, OH en in het bijzonder O effectiever zijn in het breken van bindingen dan H2O2, in overeenstemming met vele experimenten die de cruciale rol van ROS zoals O en OH in bacteriële deactivatie aantonen.

Daarnaast werd vastgesteld dat de ether C–O bindingen in het disaccharide gedeelte van PG gemakkelijker breken, gevolgd door de C–C bindingen en de C–N bindingen. In het geval van H2O2 moleculen werden geen C–N dissociaties waargenomen, hetgeen opnieuw bevestigt dat H2O2 minder effectief is in het opbreken van de bacteriële celwand. In tegenstelling tot de erg reactieve O radicalen echter, zijn H2O2 moleculen deeltjes die stabiel zijn in een waterige omgeving, en dus een grotere waarschijnlijkheid vertonen om direct met PG te interageren. Daarom wordt verwacht dat ook de H2O2 moleculen erg belangrijk zijn voor bacteriële deactivatie.

De interactie van ROS met een waterlaag. De interactiemechanismen van ROS (nl. O, OH, HO2 en H2O2) met water zijn ook in detail bestudeerd. Er werd gevonden dat O atomen onmiddellijk met watermoleculen reageren wanneer ze het wateroppervlak bereiken, ter vorming van twee OH radicalen. Ook OH radicalen zelf reageren met water, waarbij een waterstofatoom wordt uitgewisseld en de uitgangsproducten zo opnieuw gevormd worden in een continu proces. In de meeste gevallen reageren ook HO2 radicalen met water moleculen, waarbij een superoxide (O2-) en een gehydrateerd proton (H3O+) gevormd worden. Deze produkten reageren echter bijna instantaan terug om zo opnieuw HO2 en H2O te vormen. Er werd ook een analoog mechanisme waargenomen waarin dezelfde recombinatie plaatsgrijpt, maar slechts nadat het gehydrateerde proton doorheen de waterlaag getransporteerd is door de uitwisseling van H+ tussen verscheidene watermoleculen. H2O2 moleculen reageren helemaal niet wanneer ze louter door H2O moleculen omgeven worden. Wanneer zich echter twee of drie H2O2 moleculen in elkaars nabijheid bevinden, kunnen deze met elkaar reageren, waarbij ze dissociëren in HO2 radicalen en watermoleculen. HO2 radicalen interageren ook met elkaar, op voorwaarde dat ze zich voldoende dicht in elkaars nabijheid bevinden. Hierbij wordt dan H2O2 en O2 gevormd. OH radicalen echter reageren nooit met elkaar, zelfs wanneer ze zich voldoende dicht bij elkaar bevinden – ten minste niet in de simulatietijd van 100 ps.

Door het volgen van de moleculaire trajecten over een lange tijd (1.4 ns), kon worden vastgesteld dat OH, HO2 en H2O2 doorheen de waterlaag kunnen getransporteerd worden en zo de biomolecule of het oppervlak van de cel kunnen bereiken. OH en HO2 radicalen bewegen door het water door de continue vorming van nieuwe OH en HO2 radicalen, terwijl H2O2 moleculen eenvoudigweg doorheen het water diffunderen zonder enige reactie te ondergaan. De berekende ruimtelijke verdelingen van OH, HO2 en H2O2 tonen aan dat de diffusiviteit van OH het hoogst is, en die van HO2 het laagst is. De berekende diffusiecoëfficiënten van OH, HO2 en H2O2 zijn ~0.84, 0.13 en 0.07 Å2/ps, hetgeen in goede overeenkomst is met de literatuur.

Tenslotte tonen deze berekeningen aan dat de belangrijkste plasmadeeltjes die aanwezig zullen zijn in de waterlaag en dus mogelijk kunnen interageren met de bio-organismen of cellen OH, HO2, O2, O2-, H3O+ en H2O2 zijn.

De interactie van ROS met lipide-A. De interactie van OH, HO2 en H2O2 met lipide-A is ook bestudeerd op atomaire schaal. De simulaties tonen aan dat deze plasmadeeltjes de lipide-A structuur kunnen opbreken, hetgeen leidt tot een vermindering van zijn toxiciteit. De afbraak van verschillende delen van het lipide-A, namelijk de hydrofiele kop (d.w.z., het disaccharide en de fosforylgroepen) en de alifatische ketens, is in detail bestudeerd. Er werd gevonden dat de interactiemechanismen in alle gevallen geïnitieerd worden door H-abstractie reacties. In het geval van HO2 en H2O2, wordt het H-atoom hoofdzakelijk van het invallende deeltje zelf geabstraheerd. In het geval van OH radicalen echter, abstraheert het radicaal het H-atoom van de lipide-A structuur. De bekomen resulaten zijn in goede kwalitatieve overeenstemming met experimentele bevindingen. Daarom kunnen onze simulaties nuttig zijn om ons inzicht in de afbraakmechanismen van lipide-A door plasma’s te verbeteren, en op die manier inzicht te verkrijgen in de antibacteriële eigenschappen van plasma’s.

In het algemeen kunnen we uit bovenbeschreven studies met betrekking tot de interactie van plasma ROS met PG, lipide-A en een waterlaag concluderen dat deze plasmadeeltjes in staat zijn het oppervlak van bacteriën af te breken, en zo de deactivatie van deze organismen kunnen bewerkstelligen. De simulaties tonen aan dat alle interactiemechanismen geïnitieerd worden door H-abstractie reacties. Dit leidt op zijn beurt tot de dissociatie van structureel belangrijke bindingen in de moleculen en de afbraak van de behandelde organismen. De mechanismen en processen die onderliggend zijn aan deze afbraak zijn echter afhankelijk van de invallende plasmadeeltjes, en dit bepaalt dan ook de effectiviteit van de bindingsdissociaties en dus hun antibacterieel effect.

Deze computationele studies dragen bij aan een beter fundamenteel inzicht in de interactiemechanismen van bovenvernoemde structuren met plasmadeeltjes op atomaire schaal.

Tenslotte tonen de uitgevoerde studies ook aan dat dergelijke atomaire simulaties een waardevol inzicht bieden in de details van de microscopische processen die plaatsvinden in de plasmabehandeling van bacteriën. Dit is op zijn beurt belangrijk om inzicht te verkrijgen in de fundamenteel werkzame mechanismen in plasmageneeskunde.

Toekomstperspectief. In vervolgstudies zou de interactie van plasmadeeltjes met complexere en grotere structuren beoogd kunnen worden. Een voorbeeld van een dergelijke complexere structuur is de fosfolipide dubbellaag, die in bacteriën de laag onder PG (of LPS) is. Daarnaast bestaan de biofilms die bacteriën omgeven niet uit louter water, maar zijn zij relatief complex qua structuur en samenstelling. Naast water bestaat een biofilm uit een conglomeraat van verschillende biopolymeren dat de mal vormt voor de driedimensionele architectuur van de biofilm en verantwoordelijk is voor de adhesie aan oppervlakken en de cohesie in de biofilm zelf. Daarom is ook de studie van het opbreken van deze structuur  door koude atmosferische plasma’s van groot belang voor een verdere ontwikkeling van plasmageneeskunde.