Plasmamedicinsk forskning fremhæver antibakterielle virkninger og potentielle anvendelser

Efterhånden som interessen for anvendelse af plasmamedicin-brugen af ​​lavtemperaturplasma (LTP) skabt af en elektrisk afladning til at løse medicinske problemer-fortsætter med at vokse, det samme gør behovet for forskningsfremskridt, der beviser dets evner og potentielle virkninger på sundhedsindustrien. Verden over, mange forskergrupper undersøger plasmamedicin til applikationer, herunder kræftbehandling og accelereret heling af kroniske sår, blandt andre.

Forskere fra Penn State's College of Engineering, College of Agricultural Sciences og College of Medicine siger, at direkte LTP-behandling og plasmaaktiverede medier er effektive behandlinger mod bakterier, der findes i flydende kulturer. Forskerne siger også, at de har udtænkt en unik måde at skabe plasma direkte i væsker.

Holdet, bestående af ingeniører, fysikere, veterinær- og biomedicinske forskere og læger, bruger en plasma-jet med atmosfærisk tryk til at bruge stuetemperatur-"kold"-plasma til behandling af bakterier.

Plasma, materiens fjerde tilstand, er typisk meget varm - tusinder til millioner af grader. Ved at bruge plasma genereret ved atmosfærisk tryk eller i væsker, forskerne kan skabe molekyler og atomer med antibakterielle virkninger uden at brænde noget. Sean Knecht, assisterende underviser i ingeniørdesign i Penn State og leder af det tværfaglige laboratorium for integreret plasmavidenskab og teknik, sagde, at denne proces skaber mange forskellige typer af reaktive partikler, gør sandsynligheden for, at bakterielle mutationer samtidig bekæmper alle partiklerne næsten ikke -eksisterende.

Knecht forklarede, at teamets forskningsresultater, udgivet i Videnskabelige rapporter , vise, at plasmateknologi genererer store mængder reaktive iltarter eller reaktive partikler, der er skabt af molekyler, der indeholder oxygenatomer, herunder iltmolekyler i luft og vanddamp. Plasmaets effekt på forskellige bakterier som E. coli og Staph. aureus er signifikant, resulterer i mange bakteriedødsfald gennem flere generationer.

"I løbet af fire generationer af bakterier, disse bakterier opnår ingen form for resistens over for plasmabehandlingen, " han sagde.

Girish Kirimanjeswara, lektor i veterinær- og biomedicinsk videnskab ved Penn State, sagde, at dette er ekstremt vigtigt på grund af den typiske måde, hvorpå bakterier muterer, gør dem resistente over for antibiotika.

Antibiotika retter sig mod en bestemt metabolisk vej, essentielle proteiner eller nukleinsyrer i bakterier. På grund af dette, antibiotika skal ind i en bakteriecelle for at finde og binde sig til det specifikke mål. Enhver bakteriel mutation, der reducerer et antibiotikas adgangskapacitet eller øger dets udgangshastighed, gør antibiotikummet mindre effektivt. Mutationer sker naturligt med en lav hastighed, men kan hurtigt akkumuleres ved selektionstryk, når de introduceres til antibiotika, der sigter mod at bekæmpe bakterierne.

Ifølge Kirimanjeswara, teamets forskningsresultater viser, at plasmabehandling producerer forskellige reaktive iltarter i en koncentration, der er høj nok til at dræbe bakterier, men lav nok til ikke at have negative virkninger på humane celler. Han forklarede, at iltarten hurtigt er målrettet mod næsten alle dele af bakterierne, herunder proteiner, lipider og nukleinsyrer.

"Man kan kalde det en slædehammer tilgang, "Kirimanjeswara sagde." Det er svært at udvikle modstand ved en enkelt mutation eller endda ved en flok mutationer. "

Teamet anvendte også disse fund til at designe et system, der kan skabe plasma direkte i væsker. Forskerne har til hensigt at skabe plasma i blod for at adressere kardiovaskulære infektioner direkte ved kilden. For at gøre det, typisk anvendes høj elektrisk spænding og store elektriske strømme. I plasmasystemet, som forskerne skabte, den elektriske strøm og energi, der kan nå patienten, minimeres ved brug af dielektrisk, eller elektrisk isolerende, materialer. Materialer, som teamet typisk ville bruge til at skabe plasmaet, omfatter glas og keramik på grund af deres evne til at modstå høje lokale temperaturer. Disse materialer har en tendens til at lave blodpropper og er muligvis ikke særlig fleksible, en nødvendighed, hvis de skal bruges i det kardiovaskulære system. Teamet undersøger isolerende belægninger, der er biokompatible, eller acceptabel af menneskekroppen, og fleksibel. Knecht sagde, at teamet har identificeret en polymer kaldet Parylene-C og rapporteret de første resultater i tidsskriftet IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. Teamet forfølger yderligere denne vej, da polymerer har lave smeltepunkter og ikke kan modstå gentagen eksponering for plasma.

"Biokompatible polymerer kan bruges til plasmagenerering i biologiske væsker, men deres levetid er begrænset, "Knecht sagde." Nye unikke plasmagenerationsdesign skal udvikles for at producere plasmaudladninger med lavere intensitet, der kan forlænge deres levetid. Det er det, vi arbejder videre med. "

Kirimanjeswara sagde, at forskere typisk arbejder på at forstå, hvordan forskellige bakterier forårsager sygdom, eller hvordan værtens immunrespons eliminerer bakterier for at skabe nye antibiotika og vacciner. Selvom disse mere traditionelle metoder er afgørende, de er ofte gradvise og tidskrævende. Teamets innovative forskning fremhæver vigtigheden af ​​at fortsætte med at undersøge nye måder at bekæmpe bakterier på.

"Transformative og tværfaglige tilgange har potentiale til at fremskynde at finde løsninger på hastende globale problemer, "sagde han." Det er vigtigt for den brede offentlighed at være opmærksom på og værdsætte det faktum, at det videnskabelige samfund er involveret i flere tilgange, nogle traditionelle og andre utraditionelle, at bekæmpe det voksende problem med antibiotikaresistens. Vi håber, at vores forskning forstærker ideen om at omfatte ikke-antibiotiske metoder til behandling af bakterielle infektioner i fremtiden. "

Forskerteamet omfatter Knecht; Kirimanjeswara; Sven Bilén, leder af School of Engineering Design, Teknologi, og Professionelle programmer og professor i ingeniørdesign, elektroteknik og rumfartsteknik; Christopher Siedlecki, professor i kirurgi i College of Medicine; kandidatstuderende McKayla Nicol fra Institut for Veterinær- og Biomedicinsk Videnskab, Ali Kazemi fra Institut for Biomedicinsk Teknik, og tidligere medlem Timothy Brubaker, en doktorgrad i 2019 ved Institut for Elektroteknik.