Plasma-Medizin

Wenn das Fernsehen einem einen Besuch abstattet, ist das immer aufregend. So ist es vor kurzem einigen Kollegen von mir bei uns am MPE geschehen: Es gab einen Bericht über die Arbeit zur Plasmamedizin in Nano, zu finden in der ZDF Mediathek.

Das ist doch ein guter Anlass, einmal etwas über die Plasmamedizin zu bloggen. Ich selbst komme mit diesem Thema eigentlich nur bei den Vorträgen in Berührung, die meine Kollegen bei unseren interen Klausurtagungen oder auch auf Konferenzen halten. Zu sehen sind dann immer grausam wirkende Fleischwunden, die wegen Bakterienbefalls lange nicht heilten, aber bei denen mithilfe Plasmabestrahlung im Rahmen klinischer Studien deutliche Verbesserungen erzielt wurden.

Wie genau diese Bestrahlung mit Plasma hilft, beschreiben Tetyana Nosenko und Coautoren in einem Paper, das letzten Monat im New Journal of Physics erschienen ist (T Nosenko et al 2009 New J. Phys. 11 115013).

Dass Plasmen Bakterien abtöten, ist schon recht lange bekannt, und wird zum Beispiel zur Sterilisation von medizinischen Instrumenten verwendet. Verschiedene Komponenten eines Plasmas wirken dabei zusammen: reaktive Teilchen, wie zum Beispiel freie Radikale und einige Moleküle wie Ozon und Peroxide, Ladungen, Hitze und ultraviolettes Licht schädigen die Bakterien.

Soll das Plasma dann aber auf Wunden angewendet werden, muss sichergestellt werden, dass es die menschlichen Zellen nicht ebenfalls schädigt. Dazu wurden ausführliche Tests durchgeführt und die für die Patienten harmlosen Bedingungen bestimmt. Wie schon oben erwähnt, ist ein Prototyp bereits seit einiger Zeit in klinischen Tests und hat sehr gute Erfolge erzielt.

Plasma Torch - aus T Nosenko et al 2009 New J. Phys. 11 115013
Plasmatorch – aus T Nosenko et al 2009 New J. Phys. 11 115013

Die Abbildung zeigt ein Schema dieses Prototyps, die "Plasmatorch" (zu deutsch Plasmafackel). In dem Nano-Film sieht man ihn auch im Einsatz. Das Plasma wird aus einem Argon-Strom bei Atmosphärendruck erzeugt und strömt dann auf die Wunde. Die Temperatur dabei ist geringer als 40 Grad und somit nur wenig über der Körpertemperatur. Außerdem ist kein direkter Kontakt mit der Wunde nötig.

Dabei werden, wie in dem Artikel berichtet, die Bakterien erst einmal kurzfristig durch das UV-Licht abgetötet. Dies funktioniert selbst dann, wenn die Bakterien sich innerhalb der Wunde in einer Flüssigkeit befinden. Allerdings limitiert diese UV-Licht auch die Dauer der möglichen Bestrahlung der Wunden, da es ansonsten die menschlichen Zellen schädigen würde.

Welche Auswirkungen die Anwendung direkt auf Baktieren hat, haben René Pompl et al. (R. Pompl et al 2009 New J. Phys. 11 115023) untersucht. Sie haben verschiedene Bakterien der Plasma Torch ausgesetzt und vorher und nachher mit einem Rasterkraftmikroskop untersucht. Die Auswirkung sieht man zum Beispiel im folgenden Bild:

Auswirkung von der Plasmatorch auf E.Coli-Bakterien - aus René Pompl et al 2009 New J. Phys. 11 115023
E.Coli-Bakterium vor (a) und nach (b) fünf Minuten Bestrahlung mit der Plasmatorch.
Aus René Pompl et al 2009 New J. Phys. 11 115023

 Allem Anschein nach ist bei der Anwendung die Zellwand aufgebrochen und Zellmaterial nach draußen gedrungen. Das könnte zum Beispiel dadurch verursacht werden, dass sich das Bakterium durch den Plasmastrom auflädt und dadurch platzt. Die Autoren haben gezeigt, dass dieses Aufplatzen nicht allein durch die UV-Strahlung verursacht wird.

Langfristig besteht auch zwischen den Behandlungen eine Wirkung; dann nämlich kommen reaktive Stickstoff- und Sauerstoffatome zum Tragen und verhindern, dass sich neue Bakterien ansiedeln.

Das ganze funktioniert natürlich auch mit multiresistenten Bakterien, denn hier kommen ja ganz andere Angriffsmechanismen zum Einsatz. Mal wieder ein schönes Beispiel, was bei Grundlagenforschung "aus Versehen" herauskommen kann.


weitere Infomationen: Plasmamedizin am MPE

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Erhöht man die Spannung zwischen zwei Elektroden, die ein Gas umgeben, beginnt das Gas irgendwann zu leuchten: Freie Elektronen im Gas haben genug Energie, um die Gasteilchen zu ionisieren und noch mehr Elektronen aus den Atomen zu schlagen. Ein Plasma wurde gezündet, die Zündspannung ist erreicht. Gibt man nun noch zusätzlich Mikrometer große Teilchen in das Plasma, erhält man ein sogenanntes "Komplexes Plasma", mit dem ich mich zunächst als Doktorand und Post-Doc am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und nun an der University of California in Berkeley beschäftige. In diesem Blog möchte ich sowie ein wenig Einblick in den Alltag im Forschungsinstitut bieten, als auch über den (Plasma)-Rand hinaus blicken. Mierk Schwabe

15 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Das ultraviolette Licht abschirmen

    Vielleicht könnte man das ultraviolette Licht abschirmen, und nur die freien Radikale, Ionen, Ozon und Peroxide auf die Wunden aufbringen.

    Dadurch würde sich die Schädigung der menschlichen Zellen verringern.

  2. UV abschirmen

    Ja, das ist eine gute Idee! In die Richtung ging auch ein Vorschlag in dem ersten Paper, das ich erwähnt habe: Einen Teil des UV-Lichts abschirmen, so dass man länger bestrahlen kann, ohne das Gewebe zu schädigen, und man gleichzeitig die Wirkung der Teilchen verstärken kann.

  3. Feuchte Luft

    Wenn man an Stelle von Argon feuchte Luft verwenden würde, dann wäre vermutlich die Menge an Radikalen, Ozon und Peroxiden viel höher.

    Sauerstoff und Wasser sind dafür ja wichtige Ausgangsstoffe.

    Falls die Elektroden unter diesen Bedingungen oxidieren, dann kann man sie aus Graphit herstellen.

    Ein wenig Kohlendioxid kann nichts schaden.

  4. Nachtrag

    Wenn man Graphit nicht verwenden will, dann ist auch Platin oder Gold geeignet.

    Rein theoretisch könnte man einen Menschen an einen Tesla-Transformator mit hoher Frequenz und Spannung, aber mit geringer Stromstärke anschliessen.

    Das hat schon früher zur Volksbelustigung gedient, es ist aber auch bestimmt desinfizierend.

    Meine Grossmutter hatte eine Violet Wand, die ausserhalb des Glaskolbens Ozon erzeugte.

    Vermutlich hatte auch dieses Gerät eine desinfizierende Wirkung.

    Hier ist ein Bild davon, ultimate Hypertechnologie:

    http://members.chello.at/….bednarik/HOCHFREQ.jpg

  5. Zweiter Nachtrag

    Wenn feuchte Luft zu viele Stickoxide erzeugt, dann könnte man ein Gemisch aus Sauerstoff und kühlem Wasserdampf verwenden.

    Ist die Plasmafackel einem gewöhnlichen Ozonerzeuger deutlich überlegen?

  6. Andere Plasmen?

    Es gibt doch die Möglichkeit, andere Gase zur Plasmaentwicklung zu verwenden? Vielleicht findet sich eines, dass einen geringeren UV-Anteil entwickelt? Die Bildung freier Radikale, Ozon und Peroxiden wäre auch dann noch gegeben.

  7. Argon – Ozon

    Der wesentliche Unterschied zwischen einem Argon- und einem Ozon-Plasma dürfte die erhebliche Giftigkeit des Ozons sein.

    Schöne Feiertage wünsch ich noch!

  8. Plasmageräte „für den Hausgebrauch“

    Im ZDF-Beitrag wurde in Aussicht gestellt, daß es demnächst „handliche Plasmageräte für den Hausgebrauch“ zur nebenwirkungsfreien Eigenbehandlung von bakteriellen oder Pilzinfektionen geben könnte. Wann ist realistischerweise damit zu rechnen?

  9. Gasart

    Es werden durchaus auch Plasmen untersucht, die mittels anderer Gase erzeugt werden. Die genauen Details kenne ich nicht, ich kann nach dem Urlaub aber gerne mal meine Kollegen fragen. Natürlich muss ein oberes Limit der freien Radikale usw. beachtet werden. Einen Überblick gibt es bis dahin hier: M G Kong et al 2009 New J. Phys. 11 115012.

  10. Hausgebrauch

    Bis es solche Geräte wirklich für den Hausgebrauch gibt, wird es meiner Einschätzung nach noch Jahre dauern. Im Moment laufen klinische Studien der Großgeräte, soweit ich weiß (und ich arbeite nicht direkt auf diesem Gebiet), werden im Moment keine Geräte für den Hausgebrauch direkt entwickelt; das ist alles noch im Ideen-Stadium.

  11. Die Vielseitigkeit des Plasmas

    Plasmaröhren sind zwar bekannt – aber wenige wissen, dass in den Phasenprüfern und Lichtschaltern Glimmröhren drin sind – die eigentlich auch ein Plasmaleuchten erzeugen – bei AC und DC im Allgemeinen.
    Das Plasma in den Leuchtstoff-/ Sparlampen ist auch nur ein dunkles blau-violettes Leuchten. Diese Energie bringt den eigentlichen Leuchtstoff als Glasinnenschicht zum Leuchten, hier in einem Vakuum, beim Plasmatorch unter Normaldruck.
    Ein Ionentriebwerk funktioniert nur im Vakuum/Weltraum und benötigt ein Plasma. Als Treibstoff werden Xenon und noch wirksamer Quecksilber eingesetzt.
    In der Beschichtungstechnik wird ein Plasma – oft mit der Restluft um 1 mbar – zum letzten Reinigen der zu beschichtenden Substrate verwendet. Dazu genügt eine Gleichspannung um 500 V. Die Beschichtung erfolgt dann im Hochvakuum, z. B. 5,5 x10-5 mbar, (PVD).
    Bei der chemischen Beschichtung (PECVD) wird zunächst ein Trägergas – meist Argon – verwendet, das dann auch zum Reinigen der Substrate dient. Da hier mit Hochfrequenz als Energieträger gearbeitet wird, lassen sich auch andere Gase als Plasmaträger einsetzen, z. B. Ethin für DLC-Schichten. Das war alles im Vakuum, z. B. bei um 5 x 10^-3 mbar. Die Hochfrequenz für das Plasma liegt bei gut 13 MHz. Andere Gase können mit diesen 13 MHz auch genutzt werden, ev. ändern sich die Zündbedingungen.
    Zum Schneiden von cm-dicken Blechen für Schiffe unter Wasser werden Leistungen im Bereich > 10 kW umgesetzt. Das geschieht sogar unter Druck.
    Die Anwendung des Plasmas für med.-Zwecke erfolgt bei Normaldruck um 1000 mbar. Mit einem Trägergas – meist Argon – können die Eigenschaften des Plasmas verändert werden – und dann ist es eine Fleißarbeit, die Anwendung zu optimieren; aber das ist wohl gemacht worden.
    Den angegebenen ZDF-Bericht habe ich auch gesehen. Aus der Hochfrequenz-Sendetechnik weiß ich, dass man sich sehr schnell bei zu hoher Energie verbrennen kann, wenn man der Antennenbuchse am Funkgerät zu nahe kommt – und das kann schon im W-Bereich liegen.
    Am 12.01.10 brachte der NDR den Beitrag „Abenteuer Diagnose“ und ein Beispiel, dass auch im Darm mit entsprechendem Gerät Argon-Plasma eingesetzt wird. Dieser Technik/Technologie steht wohl ein großes Einsatzgebiet zur Heilung bevor – Desinfektion von offenen Wunden sowohl am als auch im Körper, die dann schneller abheilen.
    Die vorgeschlagenen Filter stehen dem eigentlichen Plasmatrahl „im Weg“ – aber Anwendungen mit ihnen können durchaus real werden.

  12. Hallo Mierk,

    besonders den letzten Aspekt fand ich sehr interessant. Die reaktiven Stickstoff- bzw. Sauerstoffionen führen offenbar zu einer chemischen Oxidation der Bakterienhülle bzw. anderer Partikel. Das sollte auch unterhalb der Oberfläche stark desinfizierend wirken.

    Viele Grüße,
    Manfred

  13. Plasmabestrahlung

    Die Mikrobiologen berichten jetzt davon, dass Zellreste, insbesondere Mitochondrienteilchen, auf den Körper wie Viren wirken.

    Wenn Sie also mit der Plasmabestrahlung Wunden behandeln, sind dann nicht diese virenähnlichen „Erreger“, deren Wirkungsweise erst erprobt werden müssen, gefährlich?

    Wer garantiert, dass die Anwendung der Plasmabestrahlung wirklich nur auf die offenen Wunden begrenzt bleibt?

  14. Sicherheit

    Zur Wirkung von „Mitochondrienteilchen“ kann ich leider nicht viel sagen, das ist das Fachgebiet von Biologen und Medizinern.

    Natürlich ist es aber so, dass zur Garantie der Sicherheit umfangreiche Untersuchungen und Tests durchgeführt werden müssen, wie bei jeder neuen Behandlungsmethode. Das ist ja im Moment auch im Gange.

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