WikiDer > Плазменная медицина - Википедия

Plasma medicine - Wikipedia

Плазменная медицина это новая область, которая объединяет физика плазмы, Науки о жизни и клиническая медицина. Это изучается в дезинфекция, исцеление и рак.[1] Большинство исследований in vitro и в моделях на животных.

Он использует ионизированный газ (физическую плазму) в медицинских или стоматологических целях. [2]. Плазма, часто называемая четвертой состояние дела, представляет собой ионизированный газ, содержащий положительные ионы и отрицательные ионы или электроны, но в целом примерно нейтрален по заряду. Источниками плазмы, используемыми для плазменной медицины, обычно являются низкотемпературные плазмы, генерирующие ионы, химически активные атомы и молекулы, а также УФ-фотоны. Эти генерируемые в плазме активные частицы полезны для нескольких биомедицинских применений, таких как стерилизация имплантаты и хирургические инструменты, а также модифицирующие свойства поверхности биоматериала. Также возможны чувствительные применения плазмы, такие как обработка плазмой человеческого тела или внутренних органов в медицинских целях. Эта возможность интенсивно исследуется исследовательскими группами по всему миру в рамках междисциплинарной области исследований, называемой «плазменная медицина».

Источники плазмы

Источники плазмы, используемые в плазменной медицине, обычно представляют собой «низкотемпературные» источники плазмы, работающие при атмосферное давление. В этом контексте низкая температура относится к температурам, близким к комнатной, обычно немного выше. Во избежание ожогов существует строгий верхний предел 50 ° C при обработке тканей. Плазма ионизирована только частично, менее 1 ppm газа является заряженными частицами, а остальная часть состоит из нейтрального газа.

Разряды с диэлектрическим барьером

Разряды с диэлектрическим барьером представляют собой источник плазмы, который ограничивает ток с помощью диэлектрика, покрывающего один или оба электрода. Обычное устройство DBD содержит два плоских электрода, по крайней мере, один из которых покрыт диэлектрическим материалом, а электроды разделены небольшим зазором, который называется разрядным промежутком. DBD обычно управляются высокими переменными напряжениями с частотами в диапазоне кГц. Чтобы использовать источники питания постоянного тока и 50/60 Гц, исследователи разработали резистивный барьерный разряд (RBD).[3] Однако для медицинского применения устройств DBD само человеческое тело может служить одним из двух электродов, что делает его достаточным для создания источников плазмы, состоящих только из одного электрода, покрытого диэлектрик Такие как глинозем или же кварц. DBD для медицинских приложений[4] например, для инактивации бактерий,[5] для лечения кожных заболеваний и ран, лечения опухолей [6] и дезинфекция поверхности кожи в настоящее время исследуются. Лечение обычно проходит на воздухе помещения. Обычно они питаются от нескольких киловольт смещения от источника переменного или импульсного тока.

Плазменные струи атмосферного давления

Плазменные струи атмосферного давления (APPJ) представляют собой совокупность источников плазмы, которые используют поток газа для доставки реактивных частиц, образующихся в плазме, к ткани или образцу. Используемый газ - это обычно гелий или аргон, иногда с небольшим количеством (<5%) O2, H2O или N2 смешанный, чтобы увеличить производство химически активных атомов и молекул. Использование благородного газа позволяет поддерживать низкие температуры и упрощает получение стабильного разряда. Газовый поток также служит для создания области, в которой комнатный воздух контактирует с благородным газом и диффундирует в него, где образуется большая часть химически активных веществ.[7]

В экспериментах используются самые разные конструкции струй.[8] Многие APPJ используют диэлектрик для ограничения тока, как и в DBD, но не все. Те, в которых для ограничения тока используется диэлектрик, обычно состоят из трубки из кварца или оксида алюминия с обернутым снаружи электродом высокого напряжения. Также может быть заземленный электрод, обернутый вокруг диэлектрической трубки. В конструкциях, в которых не используется диэлектрик для ограничения тока, в центре кварцевой трубки используется штыревой электрод высокого напряжения. Все эти устройства генерируют волны ионизации, которые начинаются внутри струи и распространяются наружу, смешиваясь с окружающим воздухом. Хотя плазма может выглядеть непрерывной, на самом деле это серия ионизационных волн или «плазменных пуль».[8] Эта волна ионизации может лечить или не лечить ткань. Прямой контакт плазмы с тканью или образцом может привести к значительно большему количеству реактивных частиц, заряженных частиц и фотонов, доставленных к образцу.[9]

Один из типов конструкции, в которой не используется диэлектрик для ограничения тока, - это два плоских электрода, между которыми проходит поток газа. В этом случае плазма не выходит из струи, и до образца попадают только нейтральные атомы, молекулы и фотоны.

Большинство устройств этого типа производят тонкие (миллиметровый диаметр) плазменные струи, большие поверхности можно обрабатывать одновременно, объединяя множество таких струй или используя многоэлектродные системы. Можно обрабатывать значительно большие поверхности, чем с помощью отдельной струи. Кроме того, расстояние между устройством и кожей в определенной степени варьируется, поскольку кожа не требуется в качестве плазменного электрода, что значительно упрощает использование на пациенте. Низкотемпературные плазменные струи использовались в различных биомедицинских применениях, начиная от инактивации бактерий для уничтожения раковых клеток.[10]

Приложения

Плазменную медицину можно разделить на три основных направления:

  1. Нетепловая плазма прямого атмосферного давления для лечебной терапии
  2. Плазменная модификация биоактуальные поверхности
  3. Биодезактивация на основе плазмы и стерилизация

Нетепловая плазма атмосферного давления

Одна из проблем - нанесение нетепловой плазмы непосредственно на поверхность тела человека или на внутренние органы. В то время как для модификация поверхности и биологическая дезактивация как низкого давления, так и плазма атмосферного давления может использоваться, для прямого терапевтического применения только атмосферное давление источники плазмы применимы.

Высота реактивность плазмы является результатом различных компонентов плазмы: электромагнитное излучение (УФ / ВУФ, видимый свет, ИК, высокочастотные электромагнитные поля и др.) с одной стороны и ионы, электроны и химически активные вещества, в первую очередь радикалы, с другой. Помимо хирургического применения плазмы, например коагуляция аргоновой плазмой (APC),[11] который основан на высокоинтенсивных летальных эффектах плазмы, первые и спорадические нетепловые терапевтические плазменные применения описаны в литературе.[12] Однако базовое понимание механизмов воздействия плазмы на различные компоненты живых систем находится на раннем этапе. В частности, в области прямого терапевтического применения плазмы необходимы фундаментальные знания о механизмах взаимодействия плазмы с живыми организмами. клетки и ткань важна как научная основа.

Механизмы

Хотя в экспериментах было замечено много положительных результатов, неясно, каков доминирующий механизм действия для любого применения в плазменной медицине. При плазменной обработке образуются активные формы кислорода и азота, в том числе свободные радикалы. Эти виды включают O, О3, ОЙ, ЧАС2О2, HO2, НЕТ, ONOOH и много других. Это увеличивает окислительный стресс на клетках, что может объяснить избирательное уничтожение раковых клеток, которые уже подвергаются окислительному стрессу.[13] Кроме того, прокариотические клетки могут быть более чувствительными к окислительному стрессу, чем эукариотические клетки, что позволяет избирательно убивать бактерии.

Известно, что электрические поля могут влиять на клеточные мембраны из исследований электропорация. Электрические поля на клетках, обрабатываемых плазменной струей, могут быть достаточно высокими, чтобы вызвать электропорацию, которая может напрямую влиять на поведение клеток, или может просто позволить большему количеству реактивных частиц проникнуть в клетку. Известно, что как физические, так и химические свойства плазмы вызывают поглощение наноматериалов клетками. Например, поглощение наночастиц золота размером 20 нм можно стимулировать в раковых клетках с помощью нелетальных доз холодной плазмы. Механизмы захвата включают как энергозависимый эндоцитоз, так и энергонезависимый транспорт через клеточные мембраны. [14]. Основным путем ускоренного эндоцитоза наночастиц после воздействия холодной плазмы является клатрин-зависимый путь восстановления мембраны, вызванный перекисным окислением липидов и повреждением клеточных мембран. [15].

Роль иммунной системы в плазменной медицине в последнее время стала очень убедительной. Возможно, что реактивные частицы, внесенные в плазму, задействуют системный иммунный ответ.[16]

Рекомендации

  1. ^ Гей-Мимбрера, Дж; Гарсия, MC; Исла-Техера, Б; Родеро-Серрано, А; Гарсия-Ньето, АВ; Руано, Дж. (Июнь 2016 г.). «Клинические и биологические принципы применения холодной атмосферной плазмы при раке кожи». Достижения в терапии. 33 (6): 894–909. Дои:10.1007 / s12325-016-0338-1. ЧВК 4920838. PMID 27142848.
  2. ^ Sladek, R.E.J. (2006). «Плазменная игла: нетепловая атмосферная плазма в стоматологии». Дои:10.6100 / IR613009. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  3. ^ Ларусси, М., Алексефф, И., Ричардсон, Дж. П., и Дайер, Ф. Ф. «Резистивный барьерный разряд», IEEE Trans. Plasma Sci. 30, стр. 158-159, (2002)
  4. ^ Kuchenbecker M, Bibinov N, Kaemlimg A, Wandke D, Awakowicz P, Viöl W, J. Phys. D: Прил. Phys. 42 (2009) 045212 (10pp)
  5. ^ Ларусси, М., Ричардсон, Дж. П. и Доббс, Ф. С. «Влияние плазмы с неравновесным атмосферным давлением на гетеротрофные пути бактерий и их морфологию клеток», Appl. Phys. Lett. 81, стр. 772-774, (2002)
  6. ^ Vandamme M., Robert E., Dozias S., Sobilo J., Lerondel S., Le Pape A., Pouvesle J.M., 2011. Ответ глиомы человека U87, ксенотрансплантата на мышах, на нетепловую плазменную обработку. Плазменная медицина 1: 27-43.
  7. ^ Norberg, Seth A .; Йонсен, Эрик; Кушнер, Марк Дж. (01.01.2015). «Образование активных форм кислорода и азота с помощью повторяющихся отрицательно импульсных струй плазмы гелия атмосферного давления, распространяющихся во влажный воздух». Наука и технологии источников плазмы. 24 (3): 035026. Bibcode:2015PSST ... 24c5026N. Дои:10.1088/0963-0252/24/3/035026. ISSN 0963-0252.
  8. ^ а б Лу, X (2012). «О неравновесных плазменных струях атмосферного давления и плазменных пулях». Наука и технологии источников плазмы. 21 (3): 034005. Bibcode:2012PSST ... 21c4005L. Дои:10.1088/0963-0252/21/3/034005.
  9. ^ Norberg, Seth A .; Тиан, Вэй; Йонсен, Эрик; Кушнер, Марк Дж. (01.01.2014). «Струи плазмы атмосферного давления взаимодействуют с тканью, покрытой жидкостью: касаются и не касаются жидкости». Журнал физики D: Прикладная физика. 47 (47): 475203. Bibcode:2014JPhD ... 47U5203N. Дои:10.1088/0022-3727/47/47/475203. ISSN 0022-3727.
  10. ^ Ларусси, М. «Низкотемпературная плазменная струя для биомедицинских приложений: обзор», IEEE Trans. Plasma Sci. 43, стр. 703-711, (2015)
  11. ^ Зенкер М, Коагуляция аргоновой плазмой, GMS Krankenhaushyg Interdiszip 2008; 3 (1): Doc15 (20080311)
  12. ^ Фридман Г, Фридман Г, Гуцол А, Шектер А.Б., Василец В.Н., Фридман А, Прикладная плазменная медицина, Plasma Process Polym 5: 503-533 (2008).
  13. ^ Грейвс, Дэвид Б. (01.01.2012). «Возникающая роль активных форм кислорода и азота в окислительно-восстановительной биологии и некоторые последствия для приложений плазмы в медицине и биологии». Журнал физики D: Прикладная физика. 45 (26): 263001. Bibcode:2012JPhD ... 45z3001G. Дои:10.1088/0022-3727/45/26/263001. ISSN 0022-3727.
  14. ^ Он, Чжунлей; Лю, Кангзе; Маналото, Элин; Кейси, Алан; Крибаро, Джордж П .; Бирн, Хью Дж .; Тиан, Фуронг; Барсия, Карлос; Конвей, Джиллиан Э. (28 марта 2018 г.). «Холодная атмосферная плазма вызывает АТФ-зависимый эндоцитоз наночастиц и синергетическую гибель раковых клеток U373MG». Научные отчеты. 8 (1): 5298. Bibcode:2018НатСР ... 8.5298H. Дои:10.1038 / s41598-018-23262-0. ISSN 2045-2322. ЧВК 5871835. PMID 29593309.
  15. ^ Он, Чжунлей; Лю, Кангзе; Скалли, Лоуренс; Маналото, Элин; Гунес, Себнем; Нг, Синг Вэй; Махер, Маркус; Тивари, Бриджеш; Бирн, Хью Дж .; Бурк, Паула; Тиан, Фуронг; Каллен, Патрик Дж .; Куртин, Джеймс Ф. (24 апреля 2020 г.). «Холодная атмосферная плазма стимулирует клатрин-зависимый эндоцитоз для восстановления окисленной мембраны и повышения поглощения наноматериала в мультиформных клетках глиобластомы». Научные отчеты. 10 (1): 6985. Дои:10.1038 / с41598-020-63732-у. ЧВК 7181794. PMID 32332819.
  16. ^ Миллер, Вандана; Лин, Авраам; Фридман, Александр (16.10.2015). «Зачем нужны иммунные клетки-мишени для плазменного лечения рака». Плазмахимия и обработка плазмы. 36 (1): 259–268. Дои:10.1007 / s11090-015-9676-z. ISSN 0272-4324. S2CID 97696712.