Institut für Hygiene und Umweltmedizin
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Einfluss der Plasmabehandlung auf das transepidermale Penetrationsverhalten von Arzneistoffen
(2021)
Zusammenfassung und Ausblick
Die Forschungshypothese, dass eine Plasmabehandlung der Haut mit kaltem
Atmosphärendruckplasma zu einer lokalen Änderung der physikochemischen Eigenschaften des
Stratum corneum und dessen Struktur und (Barriere-)Funktion führt, konnte bestätigt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden morphologisch sichtbare Hautveränderungen, die
Penetrationseigenschaften verschiedener Substanzen vor und nach Plasmabehandlung sowie
Veränderungen der Lipidzusammensetzung des Stratum corneum auf molekularer Ebene analysiert.
Der wesentliche Erkenntnisgewinn der Arbeit besteht im qualitativen und quantitativen Nachweis der
gefahrlosen durch kaltes Atmosphärendruckplasma vermittelten Penetrationssteigerung von
Substanzen in die Haut mit speziellem Fokus auf das Stratum corneum.
Die Plasmabehandlung der Haut mit einem Plasmajet lockert abhängig von der
Plasmabehandlungszeit das aus Corneozyten und einer interzellulären Lipidmatrix bestehende
Stratum corneum auf. Die aufgelockerte Struktur des Stratum corneum ermöglicht eine beschleunigte
Penetration verschiedener, nach Plasmabehandlung applizierter Substanzen durch die Haut (Kapitel
4.2.). Die Penetrationssteigerung variiert dabei abhängig von den Stoffeigenschaften der
penetrierenden Substanz (zum Beispiel Molekülgröße und Lipophilie).
Die morphologische Auflockerung des Stratum corneum spiegelt sich im nach der Plasmabehandlung
veränderten Ceramid-Profil wieder. Die veränderten Barriereeigenschaften in den obersten Schichten
des Stratum corneum nach einer einminütigen Plasmabehandlung lassen sich über die Interaktion von
plasma-produzierten reaktiven Spezies mit Lipiden der Haut (insbesondere Triacylglycerolen) und
die dadurch vermittelte Bildung von Triacylglycerol-Oxidationsprodukten erklären (Kapitel 4.4.).
Eine Plasmabehandlung hat im Bereich der in der Dermatologie für den kINPen MED empfohlenen
Anwendungsdauer von 15 s/cm² bis 1 min/cm² keine negativen Auswirkungen auf die Haut (keine
gesteigerte Anzahl an Apoptosen im Stratum basale, Möglichkeit der Regeneration des
aufgelockerten Stratum corneum von basal, (Kapitel 4.3.)). Längere Behandlungszeiten von 2
min/cm² bis 5 min/cm² können jedoch zu Apoptosen in für die Zellregeneration bedeutenden
Schichten führen.
Im Gegensatz zu anderen Methoden zur transdermalen Penetrationssteigerung besteht bei der Plasma-
vermittelten Penetrationssteigerung auf Grund der antibakteriellen Plasmaeigenschaften und der
Penetrationsbeschleunigung von ausschließlich kleinen Stoffen (Größe unter 689 nm) ein geringeres
Risiko der Infektion der behandelten Hautbereiche durch die Einwanderung von Bakterien und
Pilzen. Die Plasmabehandlung stellt demnach eine zukunftsträchtige Möglichkeit zur gefahrlosen
Penetrationssteigerung von Arzneistoffen durch die Hautbarriere dar.
Da die in dieser Arbeit gewonnenen Daten in vitro mit Hilfe eines Schweineohrmodells ermittelt
wurden, ermöglichen sie einen ersten Einblick in die Reaktion der gesunden menschlichen Haut auf
die Plasmabehandlung, lassen sich jedoch nicht eins zu eins auf die in vivo-Situation am menschlichen
Körper übertragen. Zudem sollte bei der Plasmabehandlung in vivo beachtet werden, dass es am
menschlichen Körper große intra- und interindividuelle Unterschiede in der Beschaffenheit der
Hautbarriere gibt, welche zu unterschiedlich starken Effekten der Plasmabehandlung führen könnten.
Ein Vergleich der Penetrationseigenschaften weiterer Stoffe mit unterschiedlichen hydro- und
lipophilen Stoffeigenschaften sowie unterschiedlichen Molekülgrößen vor und nach
Plasmabehandlung wäre für weitere Forschungsarbeiten empfehlenswert. Auf diese Weise könnte
erforscht werden, auf welche Substanzen die Plasmabehandlung der Haut den größten Einfluss hat
und es wären weitere Rückschlüsse auf die Form der aufgelockerten Bindungen, sowie auf eine
eventuelle Interaktion modifizierter Stratum corneum-Bestandteile mit der penetrierenden Substanz
möglich. Gleichzeitig könnten die Versuche mit längeren Penetrationszeiten wiederholt werden, um
zu überprüfen, ob tatsächlich eine Rechtsverschiebung des Peaks der Konzentration der penetrierten
Substanzen (siehe Kapitel 3.4. und Kapitel 3.5.) in tiefere Hautbereiche stattfindet.
Ein direkter Vergleich penetrationssteigernder Methoden (beispielsweise Mikronadeln und
Plasmajet) wäre interessant, um die verschiedenen Systeme auch quantitativ vergleichen zu können
und zu analysieren, ob die Vorteile der plasmavermittelten Penetrationssteigerung gegenüber der
Mikronadelmethode durch die Menge an penetrierter Substanz ausgeglichen werden können.
Neben den Lipiden könnte auch die Modifikation weiterer Stratum-corneum-Bestandteile ursächlich
für die veränderten Barriereeigenschaften der Haut nach Plasmabehandlung sein. Interessant wäre
deshalb auch die Untersuchung der Stratum-corneum-Peptide und -Proteine vor und nach
Plasmabehandlung.
Um die Reaktion der Haut in vivo auf die Plasmabehandlung besser vorhersagen zu können und damit
die im Rahmen dieser Arbeit erlangten Erkenntnisse in die klinische Praxis übertragen zu können,
sind weitere Studien nötig. Diese könnten die in vitro-Experimente am Schweineohr beispielsweise
auf ein in vivo-Mäusehautmodell übertragen. An einem frischen Mäusehautmodell wäre auch die
Untersuchung längerer Penetrationszeiten sowie die Geschwindigkeit der Hautregeneration und dem
damit Verbundenen Wiederaufbau der Hautbarriere nach Plasmabehandlung möglich.
Nach einer Verifizierung der Ergebnisse in vivo könnten die im Rahmen dieses Projekts gewonnenen
Erkenntnisse in Zukunft auf den klinischen Alltag übertragen werden. Für Langzeittherapien bei
speziellen Patientengruppen mit Problemen bei der oralen Medikamentenaufnahme (beispielsweise
in Form von Resorptionsstörungen im Magen-Darm-Trakt) oder bei einem starken First-Pass-Effekt
des Medikaments in der Leber ist die transdermale Medikamentenapplikation eine
Ausweichmöglichkeit, welche durch eine vorherige Plasmabehandlung der Haut noch verbessert
werden würde.
Im Rahmen des bereits etablierten medizinischen Anwendungsfelds von kaltem
Atmosphärendruckplasma bei der Behandlung chronischer Wunden könnte eine Plasmabehandlung
der Wundränder und angrenzender gesunder Hautbereiche die Penetration von nach der Behandlung
applizierten wundheilungsfördernden Cremes und Gels im betroffenen Gebiet beschleunigen und so
die Heilungsaussichten noch weiter verbessern.
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.
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: 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.
There has been a substantial evolution of anti-cancer therapies in the last decade, leading
to improved prognosis and disease-free survival of patients with melanoma. Due to the
number of patients that still develop resistance or to the high systemic toxicity and side
effects, new treatment options are still needed. Regardless of the type of therapeutic
interventions (except surgery), the reactive oxygen species (ROS) are a by-product or
contribute to the action mechanism of many successful therapies. In this context, medical
cold atmospheric plasma (CAP) arises as a promising tool, and studies are important to
prove the effectiveness of this new device.
Since combination therapies are the current standard way to treat melanoma, we explored
candidates to be combined with cold atmospheric plasma, with potential to become a
therapeutic option in the combination. Here, we tested the radiotherapy and clinically safe
mitochondrial inhibitor drugs. In the end of the study, both, ionizing radiation and four
mitochondrial-targeted-drugs showed to be promising candidates for the combination with
CAP. These combinations induced increased cytotoxicity and modulated the immune
system improving the anti-tumor immune response. Mitochondrial damage seems to be
the first stage to induce cellular deficiency and culminate in apoptotic cell death.
Furthermore the release of GM-CSF contribute to a pro inflammatory state and immune
system activation.
This dissertation showed that CAP serves as an excellent tool to boost melanoma cell
death and induce anti-tumor response. In addition, in our proposed therapeutic
combination, the intensity of plasma treatment could be decreased possibly resulting in
less systemic toxicity. Our results serves as model to be studied in other tumor entities.
Hintergrund: Wie in vielen anderen Bereichen der Medizin kann ein Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA) auch zahnmedizinisches Personal sowie ihre Patient*innen besiedeln. Studien zur Prävalenz von MRSA und Methicillin-sensiblem S. aureus (MSSA) bei dieser Berufsgruppe sowie zum Trageverhalten bei persönlicher Schutzausrüstung (PSA) sind jedoch rar.
Ziel: Es wurde eine Beobachtungsstudie (StaphDent Studie) durchgeführt, um die Prävalenz von MRSA und MSSA bei Zahnärzt*innen und zahnärztlichem Personal in der Region Mecklenburg-Vorpommern zu bestimmen. Des Weiteren sollte die Compliance zum Einhalten der Hygienemaßnahmen anhand des Trageverhaltens von PSA ausgewertet werden, um daraus mögliche Rückschlüsse in Bezug auf die Prävalenz von MRSA und MSSA ableiten zu können.
Methoden: Von Zahnärzt*innen (n= 149), zahnärztlichem Personal (n= 297) sowie von weiteren Praxisangestellten wurden zum größten Teil im Selbsttestverfahren Nasenabstriche entnommen. Es erfolgte die Auswertung im Fachbereich Mikrobiologie. Die klonale Verwandtschaft der MSSA-Isolate wurde durch spa-Typisierung und in einigen Fällen durch Ganzgenomsequenzierung charakterisiert. Die Verwendung von PSA wurde anhand eines Fragebogens ermittelt.
Ergebnisse: Während 23,7% (115/485) der Teilnehmenden mit MSSA kolonisiert waren, konnte MRSA in keiner der Proben nachgewiesen werden. Die MSSA-Prävalenz steht in keinem statistischen Zusammenhang mit der Praxisgröße, dem Geschlecht, dem Alter oder der Dauer der Beschäftigung. Die identifizierten 61 spa-Typen ließen sich 17 klonalen Komplexen und vier Sequenztypen zuordnen. Die meisten spa-Typen (n= 51) wurden nur einmal nachgewiesen. In 10 Zahnarztpraxen trat ein spa-Typ zweimal auf. Die Ganzgenomsequenzierung bestätigt eine enge klonale Beziehung für 4/10 dieser Isolatpaare. PSA wurde von den meisten Zahnärzt*innen und ihren Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen regelmäßig verwendet.
Schlussfolgerung: Der fehlende Nachweis von MRSA spiegelt die geringere MRSA-Prävalenz in dieser Berufsgruppe wider. Das zum größten Teil konsequente Tragen der PSA und die damit verbundene hohe Compliance bei der Einhaltung der Hygienemaßnahmen scheinen für dieses Ergebnis ursächlich zu sein.
The loss of skin integrity is inevitable in life. Wound healing is a necessary sequence of events to reconstitute the body’s integrity against potentially harmful environmental agents and restore homeostasis. Attempts to improve cutaneous wound healing are therefore as old as humanity itself. Furthermore, nowadays, targeting defective wound healing is of utmost importance in an aging society with underlying diseases such as diabetes and vascular insufficiencies being on the rise. Because chronic wounds’ etiology and specific traits differ, there is widespread polypragmasia in targeting non-healing conditions. Reactive oxygen and nitrogen species (ROS/RNS) are an overarching theme accompanying wound healing and its biological stages. ROS are signaling agents generated by phagocytes to inactivate pathogens. Although ROS/RNS’s central role in the biology of wound healing has long been appreciated, it was only until the recent decade that these agents were explicitly used to target defective wound healing using gas plasma technology. Gas plasma is a physical state of matter and is a partially ionized gas operated at body temperature which generates a plethora of ROS/RNS simultaneously in a spatiotemporally controlled manner. Animal models of wound healing have been vital in driving the development of these wound healing-promoting technologies, and this review summarizes the current knowledge and identifies open ends derived from in vivo wound models under gas plasma therapy. While gas plasma-assisted wound healing in humans has become well established in Europe, veterinary medicine is an emerging field with great potential to improve the lives of suffering animals.
Unlike the native surface of the implant material (Ti6Al4V), oxidation with H2O2 leads to increased binding of the effective antimicrobial agent poly(hexamethylene) biguanide [PHMB]. However, treating with NaOH instead results in an even higher PHMB mass coverage. After oxidation with H2O2, strong differences in the PHMB adsorption capability between polished and corundum-blasted surfaces appear, indicating a roughness dependence. After NaOH treatment, no such effect was observed. The wetting properties of specimens treated with either H2O2 or NaOH prior to PHMB exposure clearly varied. To unravel the nature of this interaction, widespread in silico and in vitro experiments were performed. Methods: By X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, water contact angle measurements and MD simulations, we characterized the interplay between the polycationic antimicrobial agent and the implant surface. A theoretical model for PHMB micelles is tested for its wetting properties and compared to carbon contaminated TiO2. In addition, quantitation of anionic functional group equivalents, the binding properties of PHMB with blocked amino end-group, and the ability to bind chlorhexidine digluconate (CHG) were investigated. Ultimately, the capability of osteoblasts to build calcium apatite, and the activity of alkaline phosphatase on PHMB coated specimens, were determined. Results: Simulated water contact angles on carbon contaminated TiO2 surfaces and PHMB micelle models reveal little influence of PHMB on the wetting properties and point out the major influence of remaining and recovering contamination from ambient air. Testing PHMB adsorption beyond the critical micelle concentration and subsequent staining reveals an island-like pattern with H2O2 as compared to an evenly modified surface with NaOH. Both CHG and PHMB, with blocked amino end groups, were adsorbed on the treated surfaces, thus negating the significant influence of PHMB’s terminal groups. The ability of osteoblasts to produce calcium apatite and alkaline phosphatase is not negatively impaired for PHMB mass coverages up to 8 μg/specimen. Conclusion: Differences in PHMB adsorption are triggered by the number of anionic groups and carbon contaminants, both of which depend on the specimen pre-treatment. With more PHMB covering, the implant surface is protected against the capture of new contamination from the ambient air, thus building a robust antimicrobial and biocompatible surface coating.