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Alors que l'intérêt pour l'application de la médecine plasmatique - l'utilisation du plasma à basse température (LTP) créé par une décharge électrique pour résoudre des problèmes médicaux - continue de croître, il en va de même du besoin d'avancement de la recherche prouvant ses capacités et ses impacts potentiels sur l'industrie des soins de santé. À travers le monde, de nombreux groupes de recherche étudient la médecine plasmatique pour des applications telles que le traitement du cancer et la cicatrisation accélérée des plaies chroniques, entre autres.
Des chercheurs du College of Engineering de Penn State, Le Collège des sciences agricoles et le Collège de médecine affirment que le traitement LTP direct et les milieux activés par plasma sont des traitements efficaces contre les bactéries présentes dans les cultures liquides. Les chercheurs affirment également avoir mis au point un moyen unique de créer du plasma directement dans les liquides.
L'équipe, composé d'ingénieurs, physiciens, scientifiques vétérinaires et biomédicaux et professionnels de la santé, utilise un jet de plasma à pression atmosphérique pour utiliser du plasma à température ambiante - "froid" - pour traiter les bactéries.
Un jet de plasma à pression atmosphérique est utilisé pour la stérilisation des bactéries résistantes aux antibiotiques. Le plasma est non thermique et peut être appliqué sur des tissus vivants sans dommage thermique. Crédit :Sean Knecht
Plasma, le quatrième état de la matière, est généralement très chaud - des milliers à des millions de degrés. En utilisant du plasma généré à pression atmosphérique ou dans des liquides, les chercheurs peuvent créer des molécules et des atomes aux effets antibactériens sans rien brûler. Sean Knecht, professeur assistant de conception technique à Penn State et responsable du laboratoire interdisciplinaire pour la science et l'ingénierie intégrées des plasmas, a déclaré que ce processus crée de nombreux types différents de particules réactives, rendant la probabilité de mutations bactériennes pour combattre simultanément toutes les particules presque inexistante.
Knecht a expliqué que les résultats de la recherche de l'équipe, Publié dans Rapports scientifiques , montrer que la technologie plasma génère de grandes quantités d'espèces réactives de l'oxygène ou de particules réactives créées à partir de molécules contenant des atomes d'oxygène, y compris les molécules d'oxygène dans l'air et la vapeur d'eau. L'effet du plasma sur différentes bactéries telles que E. coli et Staph. aureus est important, entraînant de nombreuses morts bactériennes sur plusieurs générations.
"Au cours de quatre générations de bactéries, ces bactéries n'acquièrent aucune forme de résistance au traitement plasma, " il a dit.
Girish Kirimanjeswara, professeur agrégé de sciences vétérinaires et biomédicales à Penn State, dit que cela est extrêmement important en raison de la manière typique de muter les bactéries, les rendant résistants aux antibiotiques.
La décharge de plasma dans une solution saline avec revêtement de parylène-C sur l'électrode haute tension est une voie vers la médecine plasmatique interne. Crédit :Sean Knecht
Les antibiotiques ciblent une voie métabolique spécifique, protéines essentielles ou acides nucléiques chez les bactéries. À cause de ce, les antibiotiques doivent pénétrer dans une cellule bactérienne pour trouver et se lier à cette cible spécifique. Toute mutation bactérienne qui diminue les capacités d'entrée d'un antibiotique ou augmente son taux de sortie rend l'antibiotique moins efficace. Les mutations se produisent naturellement à un faible taux, mais peuvent s'accumuler rapidement par pression de sélection lorsqu'elles sont introduites dans des antibiotiques visant à combattre les bactéries.
Selon Kirimanjeswara, les résultats des recherches de l'équipe montrent que le traitement au plasma produit diverses espèces réactives de l'oxygène à une concentration suffisamment élevée pour tuer les bactéries, mais suffisamment bas pour ne pas avoir d'impacts négatifs sur les cellules humaines. Il a expliqué que les espèces d'oxygène ciblent rapidement pratiquement toutes les parties des bactéries, y compris les protéines, lipides et acides nucléiques.
« On peut appeler cela une approche à la masse, " Kirimanjeswara a déclaré. "Il est difficile de développer une résistance par une seule mutation ou même par un groupe de mutations."
L'équipe a également appliqué ces résultats pour concevoir un système capable de créer du plasma directement dans les liquides. Les chercheurs ont l'intention de créer du plasma dans le sang pour traiter les infections cardiovasculaires directement à la source. Faire cela, une haute tension électrique et des courants électriques importants sont généralement utilisés. Dans le système plasma créé par les chercheurs, le courant électrique et l'énergie pouvant atteindre le patient sont minimisés grâce à l'utilisation de diélectrique, ou électriquement isolant, matériaux. Les matériaux que l'équipe utiliserait généralement pour créer le plasma comprennent le verre et la céramique en raison de leur capacité à résister à des températures locales élevées. Ces matériaux ont tendance à former des caillots sanguins et peuvent ne pas être très flexibles, une nécessité si elles doivent être utilisées dans le système cardiovasculaire. L'équipe étudie des revêtements isolants biocompatibles, ou acceptable par le corps humain, et souple. Knecht a déclaré que l'équipe avait identifié un polymère appelé Parylène-C et publié les premiers résultats dans la revue IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. L'équipe poursuit dans cette voie, car les polymères ont des points de fusion bas et peuvent ne pas résister à une exposition répétée au plasma.
"Les polymères biocompatibles peuvent être utilisés pour la génération de plasma dans les liquides biologiques, mais leur durée de vie est limitée, " a déclaré Knecht. " De nouvelles conceptions uniques de génération de plasma doivent être développées pour produire des décharges de plasma de faible intensité qui peuvent prolonger leur durée de vie. C'est ce sur quoi nous continuons de travailler."
Kirimanjeswara a déclaré que les scientifiques travaillent généralement pour comprendre comment différentes bactéries provoquent des maladies ou comment les réponses immunitaires de l'hôte éliminent les bactéries pour créer de nouveaux antibiotiques et vaccins. Bien que ces approches plus traditionnelles soient essentielles, elles sont souvent progressives et chronophages. Les recherches innovantes de l'équipe soulignent l'importance de continuer à rechercher de nouvelles façons de lutter contre les bactéries.
« Les approches transformatrices et interdisciplinaires ont le potentiel d'accélérer la recherche de solutions aux problèmes mondiaux urgents, " Il est important pour le grand public d'être conscient et d'apprécier le fait que la communauté scientifique est engagée dans plusieurs approches, certains traditionnels et d'autres non traditionnels, pour lutter contre le problème croissant de la résistance aux antibiotiques. Nous espérons que nos recherches renforceront l'idée d'adopter des approches non antibiotiques pour traiter les infections bactériennes à l'avenir. »
L'équipe de recherche comprend Knecht; Kirimanjeswara; Sven Bilén, directeur de l'École d'ingénierie de conception, La technologie, et programmes professionnels et professeur de conception technique, génie électrique et génie aérospatial; Christophe Siedlecki, professeur de chirurgie au Collège de médecine; étudiants diplômés McKayla Nicol du Département des sciences vétérinaires et biomédicales, Ali Kazemi du Département de génie biomédical, et ancien membre Timothy Brubaker, un doctorat 2019 du Département de génie électrique.
