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Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Redoxpotential und biologischem Effekt mit kaltem Atmosphärendruckplasma behandelter Flüssigkeiten

  • Auf dem Teilgebiet der Plasmamedizin, welches sich mit der Grundlagenforschung der Plasma-Zielstruktur-Interaktion beschäftigt, haben sich in den letzten Jahren zwei grundlegende Erkenntnisse ergeben: (1) Biologische Effekte kalter Atmosphärendruckplasmen (CAP) werden maßgeblich über die Flüssigkeitsphasen vermittelt. (2) Diese Effekte basieren auf den Reaktionen redoxaktiver Spezies. Darüberhinaus wurde festgestellt, dass Flüssigkeiten durch die Behandlung mit CAP "aktiviert" werden können und selbst einen biologischen Effekt aufweisen. Auf dieser Grundlage beschäftigt sich nun ein Großteil der Untersuchungen mit der Identifikation der biologisch relevanten redoxaktiven Spezies in Flüssigkeiten. In der Redoxbiologie sind verschiedene Reaktionsketten bekannt, welche reversible Oxidations- und Reduktionsreaktionen beinhalten. Diese redoxbasierten Interaktionen sind nicht stets liganden- bzw. rezeptorspezifisch, so dass sich folgende Hypothese formulieren lässt: Der biologische Plasmaeffekt von CAP wird nicht durch einzelne, rezeptorspezifische Reaktionen ausgelöst, sondern ist vielmehr von dem sich in der flüssigen Umgebung der behandelten Zielstruktur herrschenden Redoxpotential abhängig. Für die Untersuchung der Hypothese wurde physiologische Kochsalzlösung in Luft mit einer Plasmaquelle, die nach dem Prinzip einer dielektrisch behinderten Oberflächenentladung funktioniert, behandelt und der antibakterieller Effekt der plasmabehandelten physiologischen Kochsalzlösung gegen E. coli erfasst. Parallel dazu wurde das Redoxpotential der plasmabehandelten physiologischen Kochsalzlösung mittels einer Goldelektrode erfasst. 5 ml physiologische Kochsalzlösung, welche 5 min mit CAP behandelt wurde, führte zu einer kompletten Inaktivierung von E. coli mit einer Reduktion der Bakterienanzahl > 6 Log-Stufen, wohingegen eine 3 minütige Plasmabehandlung nur eine Reduktion der Bakterienzahl < 1 Log-Stufe zur Folge hatte. Die komplette Inaktivierung von E. coli entsprach einer Redoxspannung von 414 mV (nach 3 min CAP-Behandlung: 376 mV). Bei Untersuchungen mit einem Vergleichssystem, welches aus verschieden konzentrierten Wasserstoffperoxidlösungen bestand, konnte gezeigt werden, dass mit einer Wasserstoffperoxidkonzentration von 30 000 mg/l eine komplette Inaktivierung von E. coli erreicht werden konnte. Die dabei herrschende Redoxspannung betrug ebenfalls 414 mV. Jedoch konnte auch gezeigt werden, dass die in plasmabehandelter physiologischer Kochsalzlösung herrschende Redoxspannung nicht allein durch die dabei herrschende Wasserstoffperoxidkonzentration ausgelöst wird, da die Wasserstoffperoxidkonzentration in 5 ml CAP-behandelter physiologischer Kochsalzlösung nur 5 mg/l betrug. Anhand dieser ersten Untersuchungsergebnisse lässt sich zusammenfassen, dass der antibakterielle Effekt, sowohl von CAP-behandelter physiologischer Kochsalzlösung, als auch von Wasserstoffperoxidlösungen, mit der in der jeweiligen Flüssigkeit herrschenden Redoxspannung korreliert. Inwieweit sich dies für andere biologische Plasmaeffekte nutzen lässt, ist noch nicht absehbar. Dafür bedarf es weiterführender Untersuchungen.
  • The key findings in basic research in plasma medicine of the recent years are that(1) biological effects of cold atmospheric plasmas (CAP) are mainly transmitted by liquid phases, and (2) that these effects are mainly based on the action of redox-active species. Moreover it was found that liquids can be "activated" by CAP treatment. Based on this a lot of research effort is focused now on the identification of biologically relevant redox-active species in liquids. From redox biology several redox-stimulated cellular reaction chains are known often involving reversible oxidation and reduction. Because these redox interactions are considered as not absolutely specific as defined by ligand-receptor interactions, the hypothesis is formulated that plasma-triggered biological effects are not necessarily based on single specific reactive species but are more dependent on the general ORP generated in the liquid environment of cells. As a model system treatment of physiological saline by a surface dielectric barrier discharge in air and its bactericidal effect on E. coli was used. The redox tension of the liquid was measured by using an ORP gold electrode. A 5 min treatment of 5 ml physiological saline resulted in a complete bacteria inactivation (> 6 log), whereas after 3 min treatment time bacteria reduction was < 1 log. This bactericidal effect corresponded to a redox tension of 414 mV (after 3 min: 376 mV). In a comparative test using different hydrogen peroxide concentrations it was found that a complete inactivation of E. coli was realized with 30.000 mg/l hydrogen peroxide, this concentration corresponded to a redox tension of 414 mV again. However, the redox tension of plasma-treated saline solution was not caused by plasma-induced hydrogen peroxide alone, because the hydrogen peroxide concentration of 5 ml plasma-treated physiological saline was 5 mg/l, only. Based on these first results it is concluded, that the bactericidal activity both of plasma treated liquid and hydrogen peroxide containing liquid correlates with its redox tension. To what extent this is generalizable for other biological effects needs further research.

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Metadaten
Author: Mareike Große
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002390-4
Title Additional (English):Explorations on the correlation between ORP and biological effect of cold atmospheric plasma treated liquids
Advisor:Prof. Dr. Thomas von Woedtke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2016/01/04
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Universitätsmedizin (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2015/12/16
Release Date:2016/01/04
Tag:Plasmaeffekt
ORP, cold atmospheric plasma, liquids
GND Keyword:Atmosphärendruckplasma, Flüssigkeit, Redoxpotential
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Hygiene und Umweltmedizin
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit