Perspektiven und Risiken des Einsatzes eines körperwarmen elektrischen Plasmas in der Medizin
(2011)
Durch die vorgestellten Studien konnte gezeigt werden, dass Temperatureffekte und UV-Strahlung, die bei der Plasma-Gewebe-Wechselwirkung entstehen, keine Gefährdung für den Menschen darstellen. Die hohe antiseptische Wirkung des Plasmas ist offensichtlich auf die Bildung großer Mengen freier Radikale speziell an der Hautoberfläche, aber auch in den Haarfollikeln zurückzuführen. Die Tatsache, dass das Plasma in die Haarfollikel eindringen kann, stellt einen deutlichen Vorteil gegenüber der Anwendung flüssiger Antiseptika dar. Um jedoch eine effektive Antiseptik der Hautoberfläche zu erreichen, ist es notwendig, Plasma-Jet-Systeme mit einem Durchmesser des Plasmastrahls von ≥ 5 mm zu entwickeln. In diesem Fall ist zu erwarten, dass die Plasmabehandlung mindestens ähnliche Ergebnisse wie die Behandlung mit Octenisept® aufweist. Es ist wahrscheinlich, dass Temperatureffekte, UV-Strahlung und Radikalbildung Synergieeffekte in der menschlichen Haut bewirken, die die antiseptische Wirkung der freien Radikale als Einzelkomponente übersteigen. Damit kommt der Plasmatechnologie in Zukunft eine besondere Bedeutung bei der Wundbehandlung zu. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Plasmabehandlung die Penetration von Partikeln und Agentien stimuliert. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für eine Plasmaanwendung im Bereich der Wirkstoffzufuhr in und durch die Haut. Inwieweit diese Wirkstoffe vor oder nach der Plasmabehandlung auf die Hautoberfläche aufgetragen werden müssen, ist Zielsetzung weiterer Untersuchungen. Generell kann festgestellt werden, dass es sich bei TTP um eine neue Technologie handelt, die ein hohes Potenzial für den klinischen Einsatz aufweist. Es ist zu erwarten, dass die Anwendung von TTP im medizinischen und biotechnischen Bereich in den nächsten Jahren stark zunehmen wird. Mit der vorliegenden Arbeit wurde eine wichtige Grundlage zur Risikobewertung der Anwendung von TTP in der Medizin geschaffen und ein Beitrag zur Klärung des Wirkungsmechanismus von Plasmen im Gewebe geleistet. Darüber hinaus konnte ein neues Anwendungsgebiet der Plasmabehandlung in Form der Stimulation der Penetration von topisch applizierten Substanzen aufgezeigt werden.
In dieser Arbeit wurde die Wirksamkeit der Antiseptika Chlorhexidindigluconat CHX 0,0001 % u. 0,00000625 %), Polihexamethylenbiguanid (PHMB 0,0001 % u. 0,000025 %) und Octenidinhydrochlorid (OCT 0,0002 % u. 0,00005 %) mit gewebekompatiblen Atmosphärendruckplasmen (TTP) mit dem Edelgas Argon als Trägergas mit und ohne Zumischung von 1% Sauerstoff, generiert mit dem kINPen09 und einer Hohlelektroden-Dielectric-Barrier Discharge Plasmaquelle (HDBD) sowie der alleinigen Gasbehandlung (Trägergas ohne Plasmagenerierung) in Bezug auf die Vermehrungshemmung bzw. Eradikation von C. albicans ATCC 10231, C. albicans SC 5314, P. aeruginosa ATCC 9027, P. aeruginosa SG 81, S. epidermidis ATCC 12228, S. epidermidis RP 62A, S. mutans DSM 20523 und S. sanguinis DSM 20068 untersucht. Die Antiseptika wirkten über den gesamten Untersuchungszeitraum von 32 h auf die Mikroorganismen ein, die TTP-Behandlungen nur 60 s. Die Vermehrung der Mikroorganismen wurde alle 30 min anhand der optischen Dichte der Testkulturen gemessen und die Fläche unter dem resultierenden Graphen (Area under the curve, AUC) charakterisiert. Bei C. albicans ATCC 10231 und SC 5314 wurde die Vermehrung vollständig von OCT 0,0002 % und der Plasmabehandlung mit HDBD mit Sauerstoffzuführung gehemmt. Die HDBD-und kINPen09- Behandlungen ohne Sauerstoffzufuhr waren beim ATCC-Stamm nur unwesentlich weniger effektiv. Die restlichen Antiseptika zeigten nur eine geringe Wirkung. Bei der Behandlung von P. aeruginosa SG 81 kam es weder durch die verwendeten Antiseptika noch durch das Plasma zu einer vollständigen Vermehrungshemmung. Insgesamt stellten sich hier die Plasmabehandlungen als deutlich effektiver heraus als die Behandlungen mit den Antiseptika. Auch bei P. aeruginosa ATCC 9027 zeigte die Behandlung mit den Antiseptika einen geringeren Effekt. Im Ganzen reagierten die gramnegativen P. aeruginosa in diesen Versuchen am wenigsten empfindlich auf die antiseptischen Behandlungen. Bei der Behandlung von S. epidermidis RP 62A bewirkten die Antiseptika PHMB 0,0001 % und OCT 0,0002 % eine vollständige Vermehrungshemmung. Die Argongaskontrolle und die Plasmabehandlung mit dem kINPen09 waren ebenso wie die Behandlung mit CHX 0,0001 % etwas weniger wirksam. Beim nicht biofilmbildenden ATCC 12228 Stamm von S. epidermidis, der nicht mit Plasma behandelt wurde, führte nur OCT 0,0002 % zu einer vollständigen Vermehrungshemmung. Bei S. mutans DSM 20523 konnte keine der untersuchten antiseptischen Behandlungen zu einer vollständigen Vermehrungshemmung führen. Am effektivsten stellten sich die Behandlungen mit OCT, PHMB und die Plasmaanwendung mit dem kINPen09 ohne und mit 1 % Sauerstoffbeimischung heraus. Die Behandlung von S. sanguinis DSM 20068 wurde ausschließlich mit Plasma bzw. deren Gaskontrollen durchgeführt. Hier waren die Plasmabehandlungen mit dem kINPen09 und deren Gaskontrollen den HDBD-Behandlungen überlegen. Von allen getesteten Antiseptika stellte sich Octenidin 0,0002 % als das am breitesten wirksame und effektivste Antiseptikum heraus. Bei der Behandlung der Candida- und S. epidermidis-Stämme führte dies zu einer vollständigen Hemmung der Proliferation bis zum Ende des Beobachtungszeitraums von 32 h. CHX 0,0001 % und PHMB 0,0001 % unterschieden sich bis auf die Behandlung von S. epidermidis RP 62A und S. mutans DSM 20523 mit der Überlegenheit für PHMB 0,0001 % nicht in ihrer Wirksamkeit. Die Plasmabehandlungen von 60 s waren mit Ausnahme von S. epidermidis den über den gesamten Untersuchungszeitraum einwirkenden Antiseptika ebenbürtig oder signifikant überlegen. Die Behandlung mit TTP könnte damit eine wirksame Alternative oder Ergänzung zu den herkömmlichen Antiseptika darstellen, um z.B. die Vermehrung von Mikroorganismen in einer infizierten Wunde zu hemmen und somit die Immunabwehr zu unterstützen und Entzündungen zu verzögern oder zu verhindern.
Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit ist die Beschichtung von Wundauflagen mit Zinkoxid- und Silberhaltigen antibakteriellen Schichten. Die Aufbringung der Schichten erfolgt dabei auf den Wundauflagen mittels Atmosphärendruckplasma. Die Matrix der Schichten besteht aus Siliziumdioxid, in welcher die Wirkstoffe eingelagert sind. Auf diesem Weg hergestellten Wundauflagen wurden hinsichtlich ihrer antibakteriellen Wirkung und zytotoxischen Eigenschaften charakterisiert. Ziele waren ein minimaler Einsatz an Wirkstoffen und die Nutzung eines modernen Beschichtungsverfahrens. Der zytotoxische Einfluss der Wundauflagen wurde an 3D-Hautmodellen im Vergleich zu den am Markt befindlichen Produkten validiert.
Die Anwendung von Niedrigtemperatur-Atmosphärendruckplasmen im Bereich der
Wundversorgung gewinnt stetig an Bedeutung und so steigt das Interesse an den damit
ausgelösten biologischen Vorgängen im Organismus. Es bestehen zahlreiche Studien zum
Einfluss von Plasma auf verschiedene Zellen in Kultur. In der vorliegenden Arbeit wurde die
Wirkung von Plasma auf einen intakten Zellverband, der menschlichen Haut, umfangreich
molekularbiologisch untersucht.
Es wurde der Atmosphärendruck-Plasmajet kINPen® MED verwendet, um ex-vivo
Hautproben von insgesamt 9 Patienten zu behandeln. Mittels Fluoreszenzmikroskopie wurden die Hautbiopsien hinsichtlich Differenzierung, Proliferation, Apoptose und DNA 24 Stunden nach Plasmaexposition beurteilt. Weiterhin wurde die Sekretion von Zytokinen mittels ELISA erforscht. Die Dauer der punktuellen Plasmabehandlungen betrug 1 Minute, 3 Minuten und 5 Minuten.
Die größten Limitationen im Studiendesign waren der geringe Probenumfang sowie die
Inhomogenität der Versuchsgruppen. Es konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen
behandelter und unbehandelter Hautprobe nachgewiesen werden. Trotz allem wurden
wichtige Tendenzen beobachtet. Die Anwendung des Plasmas scheint das grundsätzliche
Differenzierungsmuster der Epidermis kaum zu beeinflussen. Bei längerer Behandlung bis 5
Minuten stieg die Anzahl basaler apoptotischer Zellen, während es kaum Änderungen im
Auftreten von DNA DoppelstrangbrĂĽchen sowie der Sekretion von IL6 oder IL8 gab. Die
Anzahl proliferativer basaler Zellen stieg bis zu einer Plasmaexposition von 3 Minuten.
Möglicherweise wirken kurzzeitige Plasmabehandlungen proliferationsfördernd auf
Keratinozyten. Dies könnte eine weitere Erklärung für den positiven Einfluss von Plasma auf
die Heilung von Wunden sein. Längere Behandlungen lösen womöglich Apoptosen aus,
jedoch ohne DNA Schäden herbeizuführen.
Um Nebenwirkungen zu minimieren, bedeutet dies für die klinische Praxis, möglichst kurze
Expositionszeiten einzuhalten. Um eine optimale therapeutische Anwendung
unterschiedlicher Plasmaquellen, die sich in Zusammensetzung und Intensität unterscheiden,
zu ermöglichen, sind weitere Studien bezüglich Behandlungszeit und entsprechender
biologischer Wirkung notwendig.
Wichtige Ergebnisse dieser Arbeit sind in die Publikation von Hasse et al. eingeflossen
(Hasse et al. 2016).
