Naarmate de belangstelling voor de toepassing van plasmamedicijnen - het gebruik van plasma bij lage temperatuur (LTP) dat wordt gecreëerd door een elektrische ontlading om medische problemen aan te pakken - blijft groeien, dat geldt ook voor de behoefte aan onderzoeksresultaten die de mogelijkheden en potentiële effecten ervan op de gezondheidszorgsector bewijzen. Over de wereld, veel onderzoeksgroepen onderzoeken plasmamedicijnen voor onder meer de behandeling van kanker en de versnelde genezing van chronische wonden, onder andere.

Onderzoekers van Penn State's College of Engineering, College of Agricultural Sciences en College of Medicine zeggen dat directe LTP-behandeling en plasma-geactiveerde media effectieve behandelingen zijn tegen bacteriën die in vloeibare culturen worden aangetroffen. De onderzoekers zeggen ook een unieke manier te hebben bedacht om plasma rechtstreeks in vloeistoffen te creëren.

Het team, bestaande uit ingenieurs, natuurkundigen, veterinaire en biomedische wetenschappers en medische professionals, gebruikt een atmosferische-druk plasmastraal om kamertemperatuur - "koud" - plasma te gebruiken om bacteriën te behandelen.

Plasma, de vierde toestand van de materie, is meestal erg heet - duizenden tot miljoenen graden. Door plasma te gebruiken dat is gegenereerd bij atmosferische druk of in vloeistoffen, de onderzoekers kunnen moleculen en atomen maken met antibacteriële effecten zonder iets te verbranden. Sean Knecht, universitair docent technisch ontwerp aan Penn State en leider van het Cross-disciplinair Laboratorium voor Integrated Plasma Science and Engineering, zei dat dit proces veel verschillende soorten reactieve deeltjes creëert, waardoor de kans op bacteriële mutaties om tegelijkertijd alle deeltjes te bestrijden bijna onbestaande is.

Knecht legde uit dat de onderzoeksresultaten van het team, gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , laten zien dat plasmatechnologie grote hoeveelheden reactieve zuurstofsoorten of reactieve deeltjes genereert die zijn gemaakt van moleculen die zuurstofatomen bevatten, inclusief zuurstofmoleculen in de lucht en waterdamp. Het effect van het plasma op verschillende bacteriën zoals E. coli en Staph. aureus is belangrijk, resulterend in veel bacteriële sterfgevallen door meerdere generaties.

"In de loop van vier generaties bacteriën, deze bacteriën krijgen geen enkele vorm van resistentie tegen de plasmabehandeling, " hij zei.

Girish Kirimanjeswara, universitair hoofddocent veterinaire en biomedische wetenschappen aan Penn State, zei dat dit uiterst belangrijk is vanwege de typische manier waarop bacteriën muteren, waardoor ze resistent zijn tegen antibiotica.

Antibiotica richten zich op een specifieke metabole route, essentiële eiwitten of nucleïnezuren in bacteriën. Daarom, antibiotica moeten een bacteriële cel binnendringen om dat specifieke doelwit te vinden en eraan te binden. Elke bacteriële mutatie die de opnamecapaciteit van een antibioticum vermindert of de uittredingssnelheid verhoogt, maakt het antibioticum minder effectief. Mutaties gebeuren van nature in een laag tempo, maar kunnen zich snel ophopen door selectiedruk wanneer ze worden geïntroduceerd met antibiotica die gericht zijn op het bestrijden van de bacteriën.

Volgens Kirimanjeswara, de onderzoeksresultaten van het team tonen aan dat plasmabehandeling verschillende reactieve zuurstofsoorten produceert in een concentratie die hoog genoeg is om bacteriën te doden, maar laag genoeg om geen negatieve effecten op menselijke cellen te hebben. Hij legde uit dat de zuurstofsoorten zich snel richten op vrijwel elk deel van de bacteriën, inclusief eiwitten, lipiden en nucleïnezuren.

"Je kunt het een voorhamerbenadering noemen, "Zei Kirimanjeswara. "Het is moeilijk om resistentie te ontwikkelen door een enkele mutatie of zelfs door een heleboel mutaties."

Het team paste deze bevindingen ook toe om een ​​systeem te ontwerpen dat plasma rechtstreeks in vloeistoffen kan creëren. De onderzoekers zijn van plan om plasma in bloed aan te maken om hart- en vaatziekten direct bij de bron aan te pakken. Om dit te doen, hoge elektrische spanning en grote elektrische stromen worden typisch gebruikt. In het plasmasysteem gecreëerd door de onderzoekers, de elektrische stroom en energie die de patiënt kunnen bereiken, worden geminimaliseerd door gebruik te maken van diëlektrische, of elektrisch isolerend, materialen. Materialen die het team normaal gesproken zou gebruiken om het plasma te maken, zijn onder meer glas en keramiek vanwege hun vermogen om hoge lokale temperaturen te weerstaan. Deze materialen hebben de neiging om bloedstolsels te maken en zijn mogelijk niet erg flexibel, een noodzaak als ze worden gebruikt in het cardiovasculaire systeem. Het team onderzoekt isolerende coatings die biocompatibel zijn, of aanvaardbaar is voor het menselijk lichaam, en flexibel. Knecht zei dat het team een ​​polymeer genaamd Parylene-C heeft geïdentificeerd en de eerste resultaten heeft gerapporteerd in het tijdschrift IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. Het team vervolgt deze weg, omdat polymeren een laag smeltpunt hebben en mogelijk niet bestand zijn tegen herhaalde blootstelling aan plasma.

"Biocompatibele polymeren kunnen worden gebruikt voor plasmageneratie in biologische vloeistoffen, maar hun levensduur is beperkt, " Knecht zei. "Er moeten nieuwe, unieke plasmageneratieontwerpen worden ontwikkeld om plasmaontladingen met een lagere intensiteit te produceren die hun levensduur kunnen verlengen. Dat is waar we aan blijven werken."

Kirimanjeswara zei dat wetenschappers doorgaans proberen te begrijpen hoe verschillende bacteriën ziekten veroorzaken of hoe de immuunresponsen van de gastheer bacteriën elimineren om nieuwe antibiotica en vaccins te maken. Hoewel deze meer traditionele benaderingen essentieel zijn, ze zijn vaak geleidelijk en tijdrovend. Het innovatieve onderzoek van het team benadrukt het belang van het blijven onderzoeken van nieuwe manieren om bacteriën te bestrijden.

"Transformatieve en interdisciplinaire benaderingen hebben het potentieel om sneller oplossingen te vinden voor urgente mondiale problemen, " zei hij. "Het is belangrijk voor het grote publiek om zich bewust te zijn van en te waarderen dat de wetenschappelijke gemeenschap betrokken is bij verschillende benaderingen, sommige traditioneel en andere niet-traditioneel, om het groeiende probleem van antibioticaresistentie te bestrijden. We hopen dat ons onderzoek het idee versterkt om in de toekomst niet-antibiotische benaderingen te omarmen om bacteriële infecties te behandelen."

Het onderzoeksteam omvat Knecht; Kirimanjeswara; Sven Bilén, hoofd van de School of Engineering Design, Technologie, en professionele programma's en hoogleraar technisch ontwerp, elektrotechniek en ruimtevaarttechniek; Christoffel Siedlecki, hoogleraar chirurgie aan het College of Medicine; afgestudeerde studenten McKayla Nicol van de afdeling Veterinaire en Biomedische Wetenschappen, Ali Kazemi van de afdeling Biomedische Technologie, en voormalig lid Timothy Brubaker, een doctoraat in 2019 van de faculteit Elektrotechniek.