Medycyna plazmowa

Medycyna plazmowa to rozwijająca się dziedzina, która łączy fizykę plazmy , nauki przyrodnicze i medycynę kliniczną . Jest badany pod kątem dezynfekcji , leczenia i raka . Większość badań odbywa się in vitro i na modelach zwierzęcych.

Wykorzystuje zjonizowany gaz (plazmę fizyczną) do zastosowań medycznych lub dentystycznych. Plazma, często nazywana czwartym stanem materii , jest zjonizowanym gazem zawierającym jony dodatnie i jony ujemne lub elektrony, ale ogólnie ma w przybliżeniu ładunek obojętny. Źródła plazmy stosowane w medycynie plazmowej to na ogół plazmy niskotemperaturowe, które wytwarzają jony, chemicznie reaktywne atomy i cząsteczki oraz fotony UV. Te aktywne formy wytwarzane przez plazmę są przydatne w wielu zastosowaniach biomedycznych, takich jak sterylizacja implantów i narzędzi chirurgicznych, a także modyfikowanie właściwości powierzchni biomateriałów . Możliwe są również wrażliwe zastosowania plazmy, takie jak poddawanie ludzkiego ciała lub narządów wewnętrznych działaniu plazmy w celach medycznych. Możliwość ta jest intensywnie badana przez grupy badawcze na całym świecie w wysoce interdyscyplinarnej dziedzinie badań zwanej „medycyną plazmową”.

Źródła plazmy

Źródła plazmy stosowane w medycynie plazmowej to zazwyczaj „niskotemperaturowe” źródła plazmy działające pod ciśnieniem atmosferycznym . W tym kontekście niska temperatura odnosi się do temperatur podobnych do temperatury pokojowej, zwykle nieco wyższych. Aby uniknąć oparzeń, podczas leczenia tkanki obowiązuje rygorystyczna górna granica wynosząca 50°C. Plazma jest tylko częściowo zjonizowana, mniej niż 1 ppm gazu naładowanego, a reszta składa się z gazu obojętnego.

Wyładowania z barierą dielektryczną

Wyładowania z barierą dielektryczną to rodzaj źródła plazmy, które ogranicza prąd za pomocą dielektryka pokrywającego jedną lub obie elektrody. DBD było źródłem plazmy stosowanym w połowie lat 90. XX wieku we wczesnych, przełomowych pracach nad biomedycznymi zastosowaniami zimnej plazmy. Konwencjonalne urządzenie DBD składa się z dwóch płaskich elektrod, z których co najmniej jedna jest pokryta materiałem dielektrycznym, a elektrody są oddzielone małą szczeliną zwaną szczeliną wyładowczą. DBD są zwykle napędzane wysokimi napięciami przemiennymi o częstotliwościach w zakresie kHz. W celu wykorzystania źródeł prądu stałego i 50/60 Hz badacze opracowali wyładowanie z barierą oporową (RBD). Jednakże w zastosowaniach medycznych urządzeń DBD samo ciało ludzkie może służyć jako jedna z dwóch elektrod, dlatego wystarczające jest opracowanie źródeł plazmy składających się tylko z jednej elektrody pokrytej dielektryk , taki jak tlenek glinu lub kwarc . Obecnie badane są DBD do zastosowań medycznych, takich jak inaktywacja bakterii, leczenie chorób skóry i ran, leczenie nowotworów i dezynfekcja powierzchni skóry. Zabieg zwykle odbywa się w powietrzu pokojowym. Są one zazwyczaj zasilane napięciem kilku kilowoltów przy użyciu zasilaczy prądu przemiennego lub impulsowego.

Strumienie plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym

Strumienie plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym (APPJ) to zbiór źródeł plazmy, które wykorzystują przepływ gazu do dostarczania reaktywnych form wytwarzanych w plazmie do tkanki lub próbki. Stosowanym gazem jest zwykle hel lub argon, czasami z niewielką ilością (< 5%) O ₂ , H ₂ O lub N ₂ zmieszane w celu zwiększenia produkcji chemicznie reaktywnych atomów i cząsteczek. Zastosowanie gazu szlachetnego utrzymuje niskie temperatury i ułatwia uzyskanie stabilnego wyładowania. Przepływ gazu służy również do wytworzenia obszaru, w którym powietrze w pomieszczeniu styka się z gazem szlachetnym i do niego dyfunduje, gdzie powstaje większość reaktywnych form.

Istnieje duża różnorodność konstrukcji odrzutowców stosowanych w eksperymentach. Wiele APPJ używa dielektryka do ograniczenia prądu, podobnie jak w DBD, ale nie wszystkie to robią. Te, które wykorzystują dielektryk do ograniczenia prądu, zwykle składają się z rurki wykonanej z kwarcu lub tlenku glinu, z elektrodą wysokiego napięcia owiniętą na zewnątrz. Może być również umieszczona uziemiona elektroda owinięta wokół zewnętrznej strony rurki dielektrycznej. Konstrukcje, które nie wykorzystują dielektryka do ograniczenia prądu, wykorzystują elektrodę kołkową wysokiego napięcia w środku rurki kwarcowej. Wszystkie te urządzenia generują fale jonizacyjne, które rozpoczynają się wewnątrz strumienia i rozchodzą się, mieszając się z otaczającym powietrzem. Chociaż plazma może wyglądać na ciągłą, w rzeczywistości jest to seria fal jonizacyjnych, czyli „pocisków plazmowych”. Ta fala jonizacyjna może, ale nie musi, leczyć leczoną tkankę. Bezpośredni kontakt plazmy z tkanką lub próbką może skutkować dostarczeniem do próbki znacznie większych ilości reaktywnych, naładowanych form i fotonów.

Jednym z typów konstrukcji, w którym nie wykorzystuje się dielektryka do ograniczenia prądu, są dwie płaskie elektrody, pomiędzy którymi przepływa gaz. W tym przypadku plazma nie opuszcza strumienia, a do próbki docierają jedynie neutralne atomy i cząsteczki oraz fotony.

Większość urządzeń tego typu wytwarza cienkie strumienie plazmy (o średnicy mm), większe powierzchnie można obrabiać jednocześnie łącząc wiele takich strumieni lub stosując układy wieloelektrodowe. Można obrabiać znacznie większe powierzchnie niż przy użyciu pojedynczego strumienia. Co więcej, odległość pomiędzy urządzeniem a skórą jest w pewnym stopniu zmienna, ponieważ skóra nie jest potrzebna jako elektroda plazmowa, co znacznie upraszcza stosowanie u pacjenta. Niskotemperaturowe strumienie plazmy są wykorzystywane w różnych zastosowaniach biomedycznych, od inaktywacji bakterii po zabijanie komórek nowotworowych.

Aplikacje

Medycynę plazmową można podzielić na pięć głównych dziedzin:

1. Nietermiczna plazma bezpośrednia pod ciśnieniem atmosferycznym do terapii medycznej
2. Wspomagana plazmą modyfikacja powierzchni istotnych biologicznie
3. Biodekontaminacja i sterylizacja na bazie plazmy
4. Wspomagana plazmą modyfikacja biomolekuł, np. białek, węglowodanów, lipidów i aminokwasów
5. Aktywacja proleku wspomagana plazmą

Nietermiczna plazma pod ciśnieniem atmosferycznym

Jednym z wyzwań jest aplikacja plazmy nietermicznej bezpośrednio na powierzchnię ciała człowieka lub na narządy wewnętrzne. Podczas gdy do modyfikacji powierzchni i odkażania biologicznego można stosować zarówno plazmę niskociśnieniową, jak i plazmę pod ciśnieniem atmosferycznym, do bezpośrednich zastosowań terapeutycznych mają zastosowanie wyłącznie źródła plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym.

Wysoka reaktywność plazmy wynika z działania różnych składników plazmy: promieniowania elektromagnetycznego ( UV/VUV , światło widzialne, podczerwień , pola elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości itp.) z jednej strony oraz jonów , elektronów i reaktywnych związków chemicznych, głównie rodników , na inne. Oprócz zastosowań plazmy chirurgicznej, takich jak koagulacja plazmą argonową (APC), który opiera się na śmiercionośnych efektach plazmy o wysokiej intensywności, w literaturze udokumentowano pierwsze i sporadyczne zastosowania nietermicznej plazmy terapeutycznej. Jednak podstawowe zrozumienie mechanizmów wpływu plazmy na różne elementy żywych systemów jest na wczesnym etapie. komórkami i tkankami , szczególnie w dziedzinie bezpośredniego zastosowania plazmy terapeutycznej, jest podstawą naukową.

Dermatologia plazmowa

Skóra stanowi wygodny cel dla zastosowań plazmy, co częściowo wyjaśnia niedawny rozkwit dermatologii plazmowej. Pierwsze sukcesy odnieśli niemieccy naukowcy stosujący obróbkę plazmą w leczeniu przewlekłych wrzodów. Badania te zaowocowały opracowaniem urządzeń plazmowych, które są obecnie stosowane klinicznie w Unii Europejskiej.

W Stanach Zjednoczonych grupa naukowców akademickich z Instytutu Plazmy w Nyheim na Uniwersytecie Drexel i dermatolog-badacz, dr Peter C. Friedman, byli pionierami zastosowania osocza w leczeniu przednowotworowego (promiennego) rogowacenia i brodawek . Ten sam zespół był w stanie wykazać obiecujące wyniki w leczeniu wypadania włosów ( łysienia androgenowego ) za pomocą zmodyfikowanego protokołu, zwanego pośrednim leczeniem plazmą.

Inna grupa w Niemczech powtórzyła skuteczne leczenie rogowacenia słonecznego osoczem , stosując inny typ urządzenia plazmowego, co dodatkowo wykazało wartość tej technologii, nawet w porównaniu z uznanymi metodami leczenia, takimi jak miejscowy diklofenak .

Trwają badania kliniczne z zakresu dermatologii dotyczące trądziku, trądziku różowatego, wypadania włosów i innych schorzeń. Wiedza zdobyta podczas badań nad leczeniem chorób skóry plazmą może również pomóc w opracowaniu nowych strategii medycyny plazmowej w leczeniu narządów wewnętrznych.

Mechanizmy

Chociaż w eksperymentach zaobserwowano wiele pozytywnych wyników, nie jest jasne, jaki jest dominujący mechanizm działania w przypadku jakichkolwiek zastosowań w medycynie plazmowej. Obróbka plazmowa generuje reaktywne formy tlenu i azotu, w tym wolne rodniki. Gatunki te obejmują O, O ₃ , OH , H ₂ O ₂ , HO ₂ , NO , ONOOH i wiele innych. Zwiększa to stres oksydacyjny na komórki, co może wyjaśniać selektywne zabijanie komórek nowotworowych, które są już poddane stresowi oksydacyjnemu. Dodatkowo komórki prokariotyczne mogą być bardziej wrażliwe na stres oksydacyjny niż komórki eukariotyczne, co pozwala na selektywne zabijanie bakterii.

Wiadomo, że pola elektryczne mogą wpływać na błony komórkowe z badań nad elektroporacją . Pola elektryczne na komórkach poddawanych działaniu strumienia plazmy mogą być wystarczająco wysokie, aby wywołać elektroporację, która może bezpośrednio wpłynąć na zachowanie komórki lub może po prostu pozwolić na przedostanie się do komórki bardziej reaktywnych związków. Wiadomo, że zarówno właściwości fizyczne, jak i chemiczne plazmy powodują wychwyt nanomateriałów w komórkach. Na przykład wychwyt 20 nm nanocząstek złota można stymulować w komórkach nowotworowych za pomocą nieśmiercionośnych dawek zimnej plazmy. Mechanizmy wychwytu obejmują zarówno endocytozę zależną od energii, jak i transport niezależny od energii przez błony komórkowe. Główną drogą przyspieszonej endocytozy nanocząstek po ekspozycji na zimną plazmę jest klatrynozależna droga naprawy błony spowodowana peroksydacją lipidów i uszkodzeniem błony komórkowej.

Rola układu odpornościowego w medycynie osocza stała się ostatnio bardzo przekonująca. Jest możliwe, że reaktywne gatunki wprowadzone przez osocze wywołują ogólnoustrojową odpowiedź immunologiczną.