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Poiché l'interesse per l'applicazione della medicina del plasma - l'uso del plasma a bassa temperatura (LTP) creato da una scarica elettrica per affrontare i problemi medici - continua a crescere, lo stesso vale per la necessità di progressi della ricerca che dimostrino le sue capacità e i potenziali impatti sul settore sanitario. Attraverso il mondo, molti gruppi di ricerca stanno studiando la medicina del plasma per applicazioni che includono il trattamento del cancro e la guarigione accelerata delle ferite croniche, tra gli altri.
Ricercatori del College of Engineering di Penn State, Il College of Agricultural Sciences e il College of Medicine affermano che il trattamento diretto con LTP e i mezzi attivati dal plasma sono trattamenti efficaci contro i batteri presenti nelle colture liquide. I ricercatori affermano anche di aver escogitato un modo unico per creare plasma direttamente nei liquidi.
Il gruppo, composto da ingegneri, fisici, scienziati veterinari e biomedici e professionisti medici, sta usando un getto di plasma a pressione atmosferica per utilizzare il plasma a temperatura ambiente, "freddo", per trattare i batteri.
Un getto di plasma a pressione atmosferica viene utilizzato per la sterilizzazione di batteri resistenti agli antibiotici. Il plasma non è termico e può essere applicato al tessuto vivente senza danni termici. Attestazione:Sean Knecht
Plasma, il quarto stato della materia, è tipicamente molto caldo, da migliaia a milioni di gradi. Utilizzando plasma generato a pressione atmosferica o in liquidi, i ricercatori possono creare molecole e atomi con effetti antibatterici senza bruciare nulla. Sean Knecht, professore assistente di progettazione ingegneristica presso la Penn State e leader del Laboratorio interdisciplinare per la scienza e l'ingegneria integrate del plasma, detto questo processo crea molti diversi tipi di particelle reattive, rendendo quasi inesistente la probabilità di mutazioni batteriche per combattere contemporaneamente tutte le particelle.
Knecht ha spiegato che i risultati della ricerca del team, pubblicato in Rapporti scientifici , dimostrare che la tecnologia al plasma genera grandi quantità di specie reattive dell'ossigeno o particelle reattive create da molecole che contengono atomi di ossigeno, comprese le molecole di ossigeno nell'aria e il vapore acqueo. L'effetto del plasma su diversi batteri come E. coli e Staph. aureus è significativo, causando molte morti batteriche attraverso più generazioni.
"Nel corso di quattro generazioni di batteri, questi batteri non acquisiscono alcuna forma di resistenza al trattamento al plasma, " Egli ha detto.
Girish Kirimanjeswara, professore associato di scienze veterinarie e biomediche presso la Penn State, detto questo è estremamente importante a causa del modo tipico in cui i batteri mutano, rendendoli resistenti agli antibiotici.
La scarica di plasma in soluzione salina con rivestimento in Parylene-C sull'elettrodo ad alta tensione è un percorso verso la medicina interna al plasma. Attestazione:Sean Knecht
Gli antibiotici mirano a una specifica via metabolica, proteine essenziali o acidi nucleici nei batteri. A causa di ciò, gli antibiotici devono entrare in una cellula batterica per trovare e legarsi a quel bersaglio specifico. Qualsiasi mutazione batterica che riduce la capacità di ingresso di un antibiotico o ne aumenta la velocità di uscita rende l'antibiotico meno efficace. Le mutazioni si verificano naturalmente a un ritmo basso, ma possono accumularsi rapidamente per pressione selettiva quando vengono introdotte per gli antibiotici volti a combattere i batteri.
Secondo Kirimanjeswara, i risultati della ricerca del team mostrano che il trattamento al plasma produce varie specie reattive dell'ossigeno a una concentrazione abbastanza alta da uccidere i batteri, ma abbastanza basso da non avere impatti negativi sulle cellule umane. Ha spiegato che le specie dell'ossigeno prendono di mira rapidamente praticamente ogni parte dei batteri comprese le proteine, lipidi e acidi nucleici.
"Si può chiamare un approccio a mazza, " Kirimanjeswara ha detto. "È difficile sviluppare resistenza da una singola mutazione o anche da un gruppo di mutazioni".
Il team ha anche applicato questi risultati per progettare un sistema in grado di creare plasma direttamente nei liquidi. I ricercatori intendono creare plasma nel sangue per affrontare le infezioni cardiovascolari direttamente alla fonte. Fare così, in genere vengono utilizzate alte tensioni elettriche e grandi correnti elettriche. Nel sistema al plasma creato dai ricercatori, la corrente elettrica e l'energia che potrebbero raggiungere il paziente sono ridotte al minimo utilizzando dielettrico, o elettricamente isolanti, materiali. I materiali che il team normalmente utilizzerebbe per creare il plasma includono vetro e ceramica grazie alla loro capacità di resistere a temperature locali elevate. Questi materiali tendono a far coagulare il sangue e potrebbero non essere molto flessibili, una necessità se devono essere utilizzati nel sistema cardiovascolare. Il team sta studiando rivestimenti isolanti biocompatibili, o accettabile dal corpo umano, e flessibile. Knecht ha affermato che il team ha identificato un polimero chiamato Parylene-C e ha riportato i primi risultati sulla rivista IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. Il team sta proseguendo ulteriormente su questa strada, poiché i polimeri hanno punti di fusione bassi e potrebbero non resistere a ripetute esposizioni al plasma.
"I polimeri biocompatibili possono essere utilizzati per la generazione di plasma nei liquidi biologici, ma la loro vita è limitata, " Knecht ha detto. "Devono essere sviluppati nuovi design unici per la generazione di plasma per produrre scariche di plasma a bassa intensità che possono prolungare la loro durata. È su questo che stiamo continuando a lavorare".
Kirimanjeswara ha affermato che gli scienziati in genere lavorano per capire come diversi batteri causano malattie o come le risposte immunitarie dell'ospite eliminano i batteri per creare nuovi antibiotici e vaccini. Sebbene questi approcci più tradizionali siano essenziali, sono spesso graduali e richiedono tempo. La ricerca innovativa del team evidenzia l'importanza di continuare a studiare nuovi modi per combattere i batteri.
"Gli approcci trasformativi e interdisciplinari hanno il potenziale per accelerare la ricerca di soluzioni a problemi globali urgenti, " ha detto. "È importante che il pubblico in generale sia consapevole e apprezzi il fatto che la comunità scientifica è impegnata in diversi approcci, alcuni tradizionali e altri non tradizionali, per combattere il crescente problema della resistenza agli antibiotici. Speriamo che la nostra ricerca rafforzi l'idea di abbracciare approcci non antibiotici per trattare le infezioni batteriche in futuro".
Il gruppo di ricerca include Knecht; Kirimanjeswara; Sven Bilen, capo della Scuola di Ingegneria del Design, Tecnologia, e Programmi Professionali e professore di progettazione ingegneristica, ingegneria elettrica e ingegneria aerospaziale; Christopher Siedlecki, professore di chirurgia presso il College of Medicine; dottorandi McKayla Nicol del Dipartimento di Scienze Veterinarie e Biomediche, Ali Kazemi del Dipartimento di Ingegneria Biomedica, e l'ex membro Timothy Brubaker, un dottore di ricerca 2019 del Dipartimento di Ingegneria Elettrica.
