I takt med att intresset för tillämpningen av plasmamedicin-användningen av lågtemperaturplasma (LTP) skapad av en elektrisk urladdning för att hantera medicinska problem-fortsätter att växa, så gör behovet av forskningsframsteg som bevisar dess förmåga och potentiella effekter på hälso- och sjukvården. Över hela världen, många forskargrupper undersöker plasmamedicin för tillämpningar inklusive cancerbehandling och påskyndad läkning av kroniska sår, bland andra.

Forskare från Penn State's College of Engineering, College of Agricultural Sciences och College of Medicine säger att direkt LTP-behandling och plasmaaktiverade medier är effektiva behandlingar mot bakterier som finns i flytande kulturer. Forskarna säger också att de har tagit fram ett unikt sätt att skapa plasma direkt i vätskor.

Laget, bestående av ingenjörer, fysiker, veterinär- och biomedicinska forskare och medicinsk personal, använder en plasmastråle med atmosfäriskt tryck för att använda rumstemperatur-"kall"-plasma för att behandla bakterier.

Plasma, materiens fjärde tillstånd, är vanligtvis mycket varmt - tusentals till miljoner grader. Genom att använda plasma som genereras vid atmosfärstryck eller i vätskor, forskarna kan skapa molekyler och atomer med antibakteriella effekter utan att bränna någonting. Sean Knecht, biträdande lärare i ingenjörsdesign vid Penn State och ledare för det tvärvetenskapliga laboratoriet för integrerad plasmavetenskap och teknik, sade att denna process skapar många olika typer av reaktiva partiklar, vilket gör sannolikheten för bakteriella mutationer att samtidigt bekämpa alla partiklar nästan obefintliga.

Knecht förklarade att teamets forskningsresultat, publicerad i Vetenskapliga rapporter , visa att plasmatekniken genererar stora mängder reaktiva syrearter eller reaktiva partiklar skapade från molekyler som innehåller syreatomer, inklusive syremolekyler i luften och vattenånga. Plasmas effekt på olika bakterier som E. coli och Staph. aureus är betydande, resulterar i många bakteriedödar genom flera generationer.

"Under fyra generationer av bakterier, dessa bakterier får ingen form av resistens mot plasmabehandlingen, " han sa.

Girish Kirimanjeswara, docent i veterinär- och biomedicinsk vetenskap vid Penn State, sa att detta är extremt viktigt på grund av det typiska sättet som bakterier muterar, gör dem resistenta mot antibiotika.

Antibiotika riktar sig mot en specifik metabolisk väg, essentiellt protein eller nukleinsyror i bakterier. På grund av detta, antibiotika måste gå in i en bakteriecell för att hitta och binda till det specifika målet. Varje bakteriell mutation som minskar ett antibiotikas inträdesförmåga eller ökar dess utgångshastighet gör antibiotikumet mindre effektivt. Mutationer sker naturligt med låg hastighet men kan snabbt ackumuleras genom selektionstryck när de introduceras för antibiotika som syftar till att bekämpa bakterierna.

Enligt Kirimanjeswara, teamets forskningsresultat visar att plasmabehandling producerar olika reaktiva syrearter i en koncentration som är tillräckligt hög för att döda bakterier, men tillräckligt låg för att inte ha negativa effekter på mänskliga celler. Han förklarade att syrearterna snabbt riktar in sig på nästan alla delar av bakterierna, inklusive proteiner, lipider och nukleinsyror.

"Man kan kalla det en slägga, "Kirimanjeswara sa." Det är svårt att utveckla motstånd genom någon enskild mutation eller till och med genom ett gäng mutationer. "

Teamet tillämpade också dessa fynd för att designa ett system som kan skapa plasma direkt i vätskor. Forskarna tänker skapa plasma i blod för att ta itu med kardiovaskulära infektioner direkt vid källan. Att göra så, hög elektrisk spänning och stora elektriska strömmar används vanligtvis. I plasmasystemet som forskarna skapade, den elektriska ström och energi som kan nå patienten minimeras genom att använda dielektriska, eller elektriskt isolerande, material. Material som teamet vanligtvis skulle använda för att skapa plasma inkluderar glas och keramik på grund av deras förmåga att klara höga lokala temperaturer. Dessa material tenderar att göra blodproppar och är kanske inte särskilt flexibla, en nödvändighet om de ska användas i det kardiovaskulära systemet. Teamet undersöker isolerande beläggningar som är biokompatibla, eller godtagbar av människokroppen, och flexibel. Knecht sa att laget har identifierat en polymer som heter Parylene-C och rapporterat de första resultaten i tidskriften IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. Teamet strävar vidare efter denna väg, eftersom polymerer har låga smältpunkter och kanske inte tål upprepad exponering för plasma.

"Biokompatibla polymerer kan användas för plasmagenerering i biologiska vätskor, men deras livstid är begränsad, "Knecht sa." Nya unika plasmagenereringsdesigner måste utvecklas för att producera plasmautsläpp med lägre intensitet som kan förlänga deras livstid. Det är det vi fortsätter att arbeta med. "

Kirimanjeswara sa att forskare vanligtvis arbetar för att förstå hur olika bakterier orsakar sjukdom eller hur värdens immunsvar eliminerar bakterier för att skapa nya antibiotika och vacciner. Även om dessa mer traditionella metoder är viktiga, de är ofta gradvisa och tidskrävande. Teamets innovativa forskning belyser vikten av att fortsätta undersöka nya sätt att bekämpa bakterier.

"Transformativa och tvärvetenskapliga tillvägagångssätt har potential att påskynda lösningar på brådskande globala problem, "sa han." Det är viktigt för allmänheten att vara medveten om och uppskatta det faktum att det vetenskapliga samfundet är engagerat i flera tillvägagångssätt, vissa traditionella och andra otraditionella, för att bekämpa det växande problemet med antibiotikaresistens. Vi hoppas att vår forskning förstärker idén om att anamma icke-antibiotiska metoder för att behandla bakteriella infektioner i framtiden. "

I forskargruppen ingår Knecht; Kirimanjeswara; Sven Bilén, chef för School of Engineering Design, Teknologi, och professionella program och professor i ingenjörsdesign, elektroteknik och rymdteknik; Christopher Siedlecki, professor i kirurgi vid College of Medicine; doktorander McKayla Nicol från Institutionen för veterinär- och biomedicinsk vetenskap, Ali Kazemi från Institutionen för biomedicinsk teknik, och tidigare medlem Timothy Brubaker, en doktorsexamen från Institutionen för elektroteknik 2019.