Institut für Hygiene und Umweltmedizin
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Das maligne Melanom ist eine der häufigsten malignen Erkrankungen in Deutschland. Vor allem in fortgeschrittenen Stadien ist es mit einer hohen Letalität verbunden. Die aktuell vorhandenen Therapiemöglichkeiten bergen ein hohes Nebenwirkungspotenzial und weisen bei dem häufig mutierenden Karzinom eine begrenzte Wirksamkeit auf. Daher sind unterstützende oder neue Therapieansätze essenziell. Kaltes nicht-thermisches Plasma hat in der Krebsforschung in den letzten Jahren zunehmend Aufmerksamkeit erhalten, da sich gute Effekte auf Tumorzellen zeigen ließen. Durch den in dieser Arbeit gewählten 3D-Aufbau der Zellkultur konnten Zell-Zell-Interaktionen, unterschiedliche Zellzyklus-Stadien, Nährstoffgradienten innerhalb des Zellverbandes und daraus resultierende Effekte auf die Wirksamkeit des Therapieansatzes simuliert werden. In der präklinischen Forschung zur Plasmamedizin könnte die Verwendung von Sphäroiden ein nützliches Modell darstellen, um die Wirkweise des Plasmas besser zu verstehen und später die Anwendung am Patienten zu ermöglichen. Zudem kann die Sensibilität unterschiedlicher maligner Zellen mit diesem Modell eingeschätzt werden. Zum Einsatz kamen Zellen eines Primärmelanoms (SK_MEL-28) und einer Lymphknotenmetastase eines Melanoms (MNT-1). Es konnte eine signifikante Reduktion des Wachstums der Sphäroide beider gewählter Melanom-Zellreihen nach indirekter und direkter Plasmabehandlung mit dem kalten Atmosphärendruck-Plasmajet kINPenMed festgestellt werden. Zudem konnte auch eine reduzierte Vitalität der Sphäroide nach Plasmabehandlung gezeigt werden. Eine Veränderung im Nachweis von proliferierenden oder apoptotischen Zellen innerhalb des Sphäroids mit immunhistologischen Färbungen konnte nicht gezeigt werden. Auch nach Plasmabehandlung zeigte sich lediglich ein Proliferationsgradient von außen nach innen an den Sphäroiden aller Behandlungsgruppen. Nach Platzierung der plasmabehandelten Sphäroide in einem Kollagen 1-Gel konnte ein vermehrtes Auswachsen von Zellen bei den indirekt behandelten Sphäroiden beobachtet werden. Die Ergebnisse der immunhistologischen Färbungen und die Migration im Gel stehen im Gegensatz zu den in der Literatur beschriebenen Effekten der Plasmabehandlung und bedürfen einer weiteren Evaluation. In der Proteomanalyse zeigten sich ebenfalls Proteine vermehrt exprimiert, die an der Reaktion auf RONS, an Migration und Adhäsion sowie am Zellzyklus beteiligt sind. Dabei unterstützen die Daten aus der Proteomanalyse viele der zuvor genannten Ergebnisse.
AbstractPlasma medicine refers to the application of nonequilibrium plasmas at approximately body temperature, for therapeutic purposes. Nonequilibrium plasmas are weakly ionized gases which contain charged and neutral species and electric fields, and emit radiation, particularly in the visible and ultraviolet range. Medically-relevant cold atmospheric pressure plasma (CAP) sources and devices are usually dielectric barrier discharges and nonequilibrium atmospheric pressure plasma jets. Plasma diagnostic methods and modelling approaches are used to characterize the densities and fluxes of active plasma species and their interaction with surrounding matter. In addition to the direct application of plasma onto living tissue, the treatment of liquids like water or physiological saline by a CAP source is performed in order to study specific biological activities. A basic understanding of the interaction between plasma and liquids and bio-interfaces is essential to follow biological plasma effects. Charged species, metastable species, and other atomic and molecular reactive species first produced in the main plasma ignition are transported to the discharge afterglow to finally be exposed to the biological targets. Contact with these liquid-dominated bio-interfaces generates other secondary reactive oxygen and nitrogen species (ROS, RNS). Both ROS and RNS possess strong oxidative properties and can trigger redox-related signalling pathways in cells and tissue, leading to various impacts of therapeutic relevance. Dependent on the intensity of plasma exposure, redox balance in cells can be influenced in a way that oxidative eustress leads to stimulation of cellular processes or oxidative distress leads to cell death. Currently, clinical CAP application is realized mainly in wound healing. The use of plasma in cancer treatment (i.e. plasma oncology) is a currently emerging field of research. Future perspectives and challenges in plasma medicine are mainly directed towards the control and optimization of CAP devices, to broaden and establish its medical applications, and to open up new plasma-based therapies in medicine.
Multiple evidence in animal models and in humans suggest a beneficial role of cold physical
plasma in wound treatment. Yet, risk assessment studies are important to further foster therapeutic
advancement and acceptance of cold plasma in clinics. Accordingly, we investigated the long-term
side effects of repetitive plasma treatment over 14 consecutive days in a rodent full-thickness ear
wound model. Subsequently, animals were housed for 350 days and sacrificed thereafter. In blood,
systemic changes of the pro-inflammatory cytokines interleukin 1β and tumor necrosis factor α
were absent. Similarly, tumor marker levels of α-fetoprotein and calcitonin remained unchanged.
Using quantitative PCR, the expression levels of several cytokines and tumor markers in liver,
lung, and skin were found to be similar in the control and treatment group as well. Likewise,
histological and immunohistochemical analysis failed to detect abnormal morphological changes
and the presence of tumor markers such as carcinoembryonic antigen, α-fetoprotein, or the neighbor
of Punc 11. Absence of neoplastic lesions was confirmed by non-invasive imaging methods such as
anatomical magnetic resonance imaging and positron emission tomography-computed tomography.
Our results suggest that the beneficial effects of cold plasma in wound healing come without apparent
side effects including tumor formation or chronic inflammation.
Contaminated surfaces have been discussed as a possible source of severe acute respiratory
syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2). Under experimental conditions, SARS-CoV-2 can remain
infectious on surfaces for several days. However, the frequency of SARS-CoV-2 detection on surfaces
in healthcare settings and the public is currently not known. A systematic literature review was
performed. On surfaces around COVID-19 cases in healthcare settings (42 studies), the SARS-CoV2 RNA detection rates mostly were between 0% and 27% (Ct values mostly > 30). Detection of
infectious SARS-CoV-2 was only successful in one of seven studies in 9.2% of 76 samples. Most of the
positive samples were obtained next to a patient with frequent sputum spitting during sampling.
Eight studies were found with data from public surfaces and RNA detection rates between 0% and
22.1% (Ct values mostly > 30). Detection of infectious virus was not attempted. Similar results
were found in samples from surfaces around confirmed COVID-19 cases in non-healthcare settings
(7 studies) and from personal protective equipment (10 studies). Therefore, it seems plausible to
assume that inanimate surfaces are not a relevant source for transmission of SARS-CoV-2. In public
settings, the associated risks of regular surface disinfection probably outweigh the expectable health
benefit
Cold physical plasma is a partially ionized gas expelling many reactive oxygen and nitrogen
species (ROS/RNS). Several plasma devices have been licensed for medical use in dermatology, and
recent experimental studies suggest their putative role in cancer treatment. In cancer therapies with
an immunological dimension, successful antigen presentation and inflammation modulation is a
key hallmark to elicit antitumor immunity. Dendritic cells (DCs) are critical for this task. However,
the inflammatory consequences of DCs following plasma exposure are unknown. To this end,
human monocyte-derived DCs (moDCs) were expanded from isolated human primary monocytes;
exposed to plasma; and their metabolic activity, surface marker expression, and cytokine profiles
were analyzed. As controls, hydrogen peroxide, hypochlorous acid, and peroxynitrite were used.
Among all types of ROS/RNS-mediated treatments, plasma exposure exerted the most notable
increase of activation markers at 24 h such as CD25, CD40, and CD83 known to be crucial for T cell
costimulation. Moreover, the treatments increased interleukin (IL)-1α, IL-6, and IL-23. Altogether,
this study suggests plasma treatment augmenting costimulatory ligand and cytokine expression in
human moDCs, which might exert beneficial effects in the tumor microenvironment.
COVID-19 Vaccinated Individuals Can Be a Source of SARS-CoV-2 Transmission—A Systematic Review
(2021)
Fundamental rights are probably given back earlier to COVID-19 vaccinated individuals
assuming that they cannot spread SARS-CoV-2 anymore. The objective of the study was to determine
if COVID-19 vaccinated individuals can still be the source of SARS-CoV-2 transmission. PubMed
was searched for studies on 4 April 2021. All studies with original data on COVID-19 cases among
vaccinated individuals (phase III RCTs) and on viral load in the upper respiratory tract of vaccinated
macaques after a SARS-CoV-2 challenge were included. Symptomatic COVID-19 cases were found
in four trials among vaccinated participants although less frequently than among control subjects.
One study revealed asymptomatic COVID-19 cases in a similar frequency among 2.168 AZD1222-
vaccinated subjects (1.0%) compared to 2.223 control subjects (1.0%). In 15 studies with vaccinated
macaques, it was found that the load of SARS-CoV-2 RNA, subgenomic RNA and infectious virus
in the upper respiratory tract is variable. Sterilizing immunity was found in none of the animal
studies. Major limitations of the animal studies are that the SARS-CoV-2 challenge took place within
a few weeks of the final or only vaccine dose, that the viral challenge was often high and, in some
studies, administered by up to four routes. Based on current knowledge it seems clear that COVID-19
vaccinated individuals can still be the source of SARS-CoV-2 transmission.
Untersuchung zur Wirkung von kaltem Atmosphärendruckplasma über die Oxidation von Thiolgruppen
(2022)
Redox signaling-Prozesse innerhalb und zwischen Zellen spielen eine Rolle in
verschiedenen physiologischen und pathologischen Prozessen, wobei zelluläre
Thiolgruppen als wichtige Signalübermittler identifiziert wurden. Durch Behandlung der
Aminosäure Cystein mit kaltem Atmosphärendruckplasma werden solche
Thiolgruppen oxidiert und verschiedene Verbindungen erzeugt. Diese Arbeit sollte
klären, ob so die Erzeugung von stabilen reaktiven Spezies möglich ist, die einen
biologischen Effekt haben. Dazu wurden Pufferlösungen, die Cystein enthielten, mit
einem Argon-Plasmajet (kINPen 09) mit Sauerstoffzumischung behandelt und auf
kultivierte menschliche Keratinozyten der HaCaT-Zellinie übertragen. Zellproliferation,
Migrationsaktivität, Metabolismus, Viabilität und intrazellulärer Redoxzustand wurden
untersucht.
Plasmabehandelte Flüssigkeiten mit Cysteinkonzentrationen von 2 mmol/l zeigten
keinen Einfluss auf das Zellverhalten im Vergleich zu behandeltem Puffer ohne
Cystein. Erhöhte Cysteinkonzentrationen von 100 mmol/l verringerten bei langen
Plasmabehandlungszeiten von 5 min beziehungsweise 10 min die Proliferation,
Migration, Laktatsekretion und Viabilität. Für kürzere Behandlungszeiten von 1 min und
2,5 min wurden Hinweise auf eine erhöhte metabolische Aktivität gefunden. GSSGSpiegel
in den Zellen wurden stabilisiert und intrazelluläre ROS reduziert. Diese
Effekte könnten auf generierte bioaktive Substanzen wie oxidierte Disulfide
zurückzuführen sein, die längerfristig zu Energiemangel führen. Ein möglicher
Vermittler ist Cystein-S-sulfonat, welches als NMDA-Rezeptoragonist bekannt ist.
Zudem könnte auch die Aktivierung des XC-Antiporters mit Folgen für den
intrazellulären Redoxzustand zu den kurzfristigen Effekten beigetragen haben.
Durch plasmabehandelte Cysteinlösung konnten biologische Effekte, teilweise im
Sinne einer Hormesis, nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigten eine
zytotoxische Wirkung nach langer Plasmabehandlung der Cysteinlösung, während für
kürzere Zeiten auch aktivierende Effekte deutlich wurden. Somit scheint die gezielte
Erzeugung stabiler reaktiver Spezies als neuer Ansatzpunkt der Plasmaanwendung
möglich.
Cold physical plasmas, especially noble gas driven plasma jets, emit considerable amounts of ultraviolet radiation (UV). Given that a noble gas channel is present, even the energetic vacuum UV can reach the treated target. The relevance of UV radiation for antimicrobial effects is generally accepted. It remains to be clarified if this radiation is relevant for other biomedical application of plasmas, e.g., in wound care or cancer remediation. In this work, the role of (vacuum) ultraviolet radiation generated by the argon plasma jet kINPen for cysteine modifications was investigated in aqueous solutions and porcine skin. To differentiate the effects of photons of different wavelength and complete plasma discharge, a micro chamber equipped with a MgF2, Suprasil, or Borosilicate glass window was used. In liquid phase, plasma-derived VUV radiation was effective and led to the formation of cysteine oxidation products and molecule breakdown products, yielding sulfite, sulfate, and hydrogen sulfide. At the boundary layer, the impact of VUV photons led to water molecule photolysis and formation of hydroxyl radicals and hydrogen peroxide. In addition, photolytic cleavage of the weak carbon-sulfur bond initiated the formation of sulfur oxy ions. In the intact skin model, protein thiol modification was rare even if a VUV transparent MgF2 window was used. Presumably, the plasma-derived VUV radiation played a limited role since reactions at the boundary layer are less frequent and the dense biomolecules layers block it effectively, inhibiting significant penetration. This result further emphasizes the safety of physical plasmas in biomedical applications.
Zusammenfassung
Zielsetzung: Im Ergebnis einer Literaturrecherche konnten keine Studien zur Ermittlung der Anzahl notwendiger Indikationen der HD auf Nicht-Risiko-Stationen ermittelt werden. Daher sollte die Anzahl erforderlicher Händedesinfektionen auf zwei peripheren Nicht-Risiko-Stationen ermittelt werden, um auf dieser Grundlage die Compliance anhand von Verbräuchen abschätzen zu können. Bisher wird in der UMG der Verbrauch an Händedesinfektionsmitteln der unterschiedlichen Stationen nur über Abgabedaten der Apotheke ermittelt.
Methode: Auf einer neurologischen und einer chirurgischen Bettenstation der UMG wurden jeweils zehn Pflegekräfte und zehn Ärzt*innen hinsichtlich des Verhaltens der Händedesinfektion nach Training des Beobachtenden zur Datenerhebung durch eine Hygienefachkraft während der gesamten Schicht begleitet. Die Beobachtung je eines Mitglieds des Stationsteams wurde an allen sieben Wochentagen sowie zu allen Schichten (Früh-/Spät-/Nachtschicht) durchgeführt. Als Grundlage zur Ermittlung der Indikationsstellungen wurde das Modell der Five Moments der WHO gewählt. Mit Hilfe der Fulkerson-Skala wurden die Five Moments in 15 Ränge, abgestuft von „sauber“ bis „schmutzig“, aufgegliedert, um ableiten zu können, ob das durch den Kontakt gegebene unterschiedliche Kontaminationsrisiko einen Einfluss auf die Compliance hat.
Ergebnisse: Auf der neurologischen Bettenstation wurden für die Pflegekräfte 101,5 Indikationen/PT, für das ärztliche Personal 2,2 Indikationen/PT, auf der chirurgischen Bettenstation für die Pflegekräfte 146,8 und für das ärztliche Personal 4,7 Indikationen/PT ermittelt. Der Unterschied zwischen Pflegenden und ärztlichem Personal war signifikant (p=0,0001). Im Arbeitsalltag ergaben sich für Moment 3 (nach Kontakt mit potentiell infektiösem Material) und Moment 5 (nach Kontakt mit der unmittelbaren Patientenumgebung) die meisten Indikationen. Anhand der Anzahl der Indikationen ergab sich ein höherer Soll-Verbrauch an HDM mit 311 ml/PT für die neurologische bzw. 455 ml/PT für die chirurgische Station als der für Deutschland kalkulierte Richtwert von 120 ml HDM/PT.
Die Compliance betrug im Mittel aller Schichten und beider Berufsgruppen auf der neurologischen Station 50,7%, auf der chirurgischen Station 59,6 % (p=0,27). Die höchsten Compliance Raten zeigten sich in Moment 4 sowie auf den hohen Fulkerson-Rängen.
Diskussion: Ursache für die geringere Anzahl an Indikationen der HD bei Ärzt*innen im Vergleich zu Pflegekräften ist der seltenere Patientenkontakt des ärztlichen Personals auf peripheren Stationen. Die Anzahl der Indikationen für die HD waren beim Pflegepersonal ähnlich hoch wie von Scheithauer et al. (2009) auf einer internistischen Intensivstation beobachtet.
Die beobachtete Compliance ist auf beiden Stationen unbefriedigend, obwohl analoge Daten aus der Literatur bekannt sind (Pittet et al. 1999). Das zeigt auf, dass auch in Nichtrisikobereichen intensive Anstrengungen zur Verbesserung der Compliance unternommen werden müssen. Anhand der ermittelten Indikationen ist es künftig auf den analysierten Stationen möglich, anhand der von der Apotheke ermittelten Verbrauchsdaten die Compliance abzuschätzen und Interventionsprogramme zur Verbesserung der Compliance umzusetzen. Die unterschiedliche Anzahl sich ergebender Indikationen für die fünf Momente bietet die Möglichkeit, in zukünftigen Interventionsprogrammen verstärkt auf Schwachstellen einzugehen.
Zusammenfassung
Zielsetzung: Eine Analyse des Hygienestatus im Rettungsdienst in Deutschland ergab eine Reihe von Defiziten (Groß 2010). Die sich daraus ergebenden Schlussfolgerungen wurden zunächst publiziert (Groß et al. 2010, Kramer et al. 2013), fanden 2014 Eingang in die Leitlinie der AWMF zu „Hygienemaßnahmen beim Patiententransport“ und wurden 2019 bei der Aktualisierung der Leitlinie berücksichtigt, wobei die ursprünglichen Schlussfolgerungen der o.g. Arbeit nicht an Gültigkeit eingebüßt haben. Um die Situation in einem ganzen Land zu analysieren, wurde Island als kleines Land ausgewählt.
Methode: Im Juli 2011 wurde eine Islandweite flächendeckende Umfrage in Form eines Fragebogens durchgeführt und an alle Rettungswachen verteilt, die am Krankentransport und Rettungsdienst beteiligt sind und 24-Stunden Bereitschaftsdienst haben. Ein Fragebogen mit 43 Fragen richtete sich an die Wachleiter*innen, ein separater Fragebogen mit 35 Fragen an das Personal.
Ergebnisse: 33 Fragebögen der Wachleiter*innen und 94 Fragebögen des Personals wurden vollständig beantwortet und ausgewertet.
Es kann auf beinahe allen befragten Themengebieten ein Defizit in der Gesetzeslage bzw. in Bezug auf Vorschriften und Leitlinien festgestellt werden. Das hat einen mangelhaften Wissensstand des Personals des Rettungsdiensts und Krankentransports zur Folge. Die Personalhygiene (Hände, Kleidung, Impfungen), der Fahrzeuge, Schutzmaßnahmen gegen multiresistente Erreger, die Qualitätssicherung und die Schulung bedürfen einer durchgreifenden Verbesserung. Gerade wenn vor allem in ländlichen Regionen Islands nur wenige Krankentransporte durchgeführt werden, entbindet das nicht von der Einhaltung der Basishygiene.
Schlussfolgerung: In der rasch globalisiert wachsenden Welt muss eine einheitliche landesübergreifende Regelung hygienischer Verfahrensweisen zum Schutz des Personals und der Patienten*innen im Rettungsdienst und Krankentransport in Island ausgearbeitet und unterrichtet werden.
Da es nur wenig offizielle und v.a. länderübergreifende Empfehlungen bzw. Verfahrensanweisungen gibt, wird zur Verbesserung ein Maßnahmenkatalog vorgeschlagen, der der Nationalen Gesundheitsbehörde übergeben wurde.