Medicina del plasma - Plasma medicine
La medicina del plasma es un campo emergente que combina la física del plasma , las ciencias de la vida y la medicina clínica . Está en estudio para la desinfección , la curación y el cáncer . La mayor parte de la investigación se realiza in vitro y en modelos animales.
Utiliza gas ionizado (plasma físico) para usos médicos o aplicaciones dentales. El plasma, a menudo llamado el cuarto estado de la materia , es un gas ionizado que contiene iones positivos e iones o electrones negativos, pero tiene una carga aproximadamente neutra en general. Las fuentes de plasma utilizadas para la medicina del plasma son generalmente plasmas de baja temperatura y generan iones, átomos y moléculas químicamente reactivos y fotones UV. Estas especies activas generadas por plasma son útiles para varias aplicaciones biomédicas tales como la esterilización de implantes e instrumentos quirúrgicos, así como para modificar las propiedades de la superficie del biomaterial . También son posibles aplicaciones sensibles de plasma, como someter el cuerpo humano o los órganos internos a un tratamiento con plasma con fines médicos. Esta posibilidad está siendo investigada intensamente por grupos de investigación de todo el mundo en el campo de investigación altamente interdisciplinario llamado "medicina del plasma".
Fuentes de plasma
Las fuentes de plasma utilizadas en la medicina del plasma son típicamente fuentes de plasma de "baja temperatura" que funcionan a presión atmosférica . En este contexto, temperatura baja se refiere a temperaturas similares a la temperatura ambiente, generalmente ligeramente por encima. Existe un límite superior estricto de 50 ° C cuando se trata el tejido para evitar quemaduras. Los plasmas están sólo parcialmente ionizados, con menos de 1 ppm de la especie cargada de gas y el resto compuesto de gas neutro.
Descargas de barrera dieléctrica
Las descargas de barrera dieléctrica son un tipo de fuente de plasma que limita la corriente utilizando un dieléctrico que cubre uno o ambos electrodos. Un dispositivo DBD convencional comprende dos electrodos planos con al menos uno de ellos cubierto con un material dieléctrico y los electrodos están separados por un pequeño espacio que se denomina espacio de descarga. Los DBD generalmente son impulsados por altos voltajes de CA con frecuencias en el rango de kHz. Para utilizar fuentes de alimentación de CC y 50/60 Hz, los investigadores desarrollaron la descarga de barrera resistiva (RBD). Sin embargo, para la aplicación médica de dispositivos DBD, el propio cuerpo humano puede servir como uno de los dos electrodos, lo que hace que sea suficiente para diseñar fuentes de plasma que consistan en un solo electrodo cubierto con un dieléctrico como alúmina o cuarzo . Actualmente se está investigando el DBD para aplicaciones médicas, como la inactivación de bacterias, el tratamiento de enfermedades y heridas de la piel, el tratamiento de tumores y la desinfección de la superficie de la piel. El tratamiento generalmente se lleva a cabo al aire libre. Por lo general, se alimentan con polarizaciones de varios kilovoltios utilizando fuentes de alimentación de CA o pulsadas.
Chorros de plasma a presión atmosférica
Los chorros de plasma a presión atmosférica (APPJ) son una colección de fuentes de plasma que utilizan un flujo de gas para entregar las especies reactivas generadas en el plasma al tejido o muestra. El gas utilizado suele ser helio o argón, a veces con una pequeña cantidad (<5%) de O 2 , H 2 O o N 2 mezclados para aumentar la producción de átomos y moléculas químicamente reactivos. El uso de un gas noble mantiene bajas las temperaturas y simplifica la producción de una descarga estable. El flujo de gas también sirve para generar una región donde el aire de la habitación está en contacto y se difunde hacia el gas noble, que es donde se producen muchas de las especies reactivas.
Existe una gran variedad de diseños de chorros utilizados en experimentos. Muchos APPJ usan un dieléctrico para limitar la corriente, al igual que en un DBD, pero no todos lo hacen. Los que utilizan un dieléctrico para limitar la corriente suelen consistir en un tubo de cuarzo o alúmina, con un electrodo de alto voltaje envuelto alrededor del exterior. También puede haber un electrodo conectado a tierra envuelto alrededor del exterior del tubo dieléctrico. Los diseños que no utilizan un dieléctrico para limitar la corriente utilizan un electrodo de clavija de alto voltaje en el centro del tubo de cuarzo. Todos estos dispositivos generan ondas de ionización que comienzan dentro del chorro y se propagan para mezclarse con el aire ambiente. Aunque el plasma puede parecer continuo, en realidad es una serie de ondas de ionización o "balas de plasma". Esta onda de ionización puede tratar o no el tejido que se está tratando. El contacto directo del plasma con el tejido o la muestra puede resultar en cantidades dramáticamente mayores de especies reactivas, especies cargadas y fotones que se entregan a la muestra.
Un tipo de diseño que no utiliza un dieléctrico para limitar la corriente son dos electrodos planos con un flujo de gas entre ellos. En este caso, el plasma no sale del chorro, y solo los átomos neutros y moléculas y fotones llegan a la muestra.
La mayoría de los dispositivos de este tipo producen chorros de plasma delgados (mm de diámetro), las superficies más grandes pueden tratarse simultáneamente uniendo muchos de estos chorros o mediante sistemas de electrodos múltiples. Se pueden tratar superficies significativamente más grandes que con un chorro individual. Además, la distancia entre el dispositivo y la piel es hasta cierto punto variable, ya que la piel no es necesaria como electrodo de plasma, lo que simplifica significativamente el uso en el paciente. Los chorros de plasma de baja temperatura se han utilizado en diversas aplicaciones biomédicas que van desde la inactivación de bacterias hasta la destrucción de células cancerosas.
Aplicaciones
La medicina plasmática se puede subdividir en tres campos principales:
- Plasma directo a presión atmosférica no térmica para terapia médica
- Modificación asistida por plasma de superficies bio-relevantes
- Biodescontaminación y esterilización a base de plasma
Plasma a presión atmosférica no térmica
Uno de los desafíos es la aplicación de plasmas no térmicos directamente sobre la superficie del cuerpo humano o sobre los órganos internos. Mientras que para la modificación de la superficie y la descontaminación biológica se pueden utilizar tanto plasmas de presión atmosférica como de baja presión , para aplicaciones terapéuticas directas solo son aplicables las fuentes de plasma de presión atmosférica .
La alta reactividad del plasma es el resultado de diferentes componentes del plasma: radiación electromagnética ( UV / VUV , luz visible, IR , campos electromagnéticos de alta frecuencia, etc.) por un lado e iones , electrones y especies químicas reactivas, principalmente radicales , en el otro. Además de la aplicación de plasma quirúrgico como la coagulación con plasma de argón (APC), que se basa en efectos plasmáticos letales de alta intensidad, las primeras y esporádicas aplicaciones de plasma terapéutico no térmico están documentadas en la literatura. Sin embargo, la comprensión básica de los mecanismos de los efectos del plasma en diferentes componentes de los sistemas vivos se encuentra en sus inicios. Especialmente para el campo de la aplicación terapéutica directa de plasma, un conocimiento fundamental de los mecanismos de interacción del plasma con células y tejidos vivos es esencial como base científica.
Dermatología plasmática
La piel ofrece un objetivo conveniente para las aplicaciones de plasma, lo que explica en parte el reciente auge de la dermatología del plasma. Los primeros éxitos fueron obtenidos por científicos alemanes que utilizaron el tratamiento con plasma para curar úlceras crónicas. Estos estudios dieron como resultado el desarrollo de dispositivos de plasma que ahora se utilizan en forma clínica en la Unión Europea.
En los Estados Unidos, un grupo colaborativo de científicos académicos del Nyheim Plasma Institute de la Universidad de Drexel y el dermatólogo-investigador Dr. Peter C. Friedman fueron pioneros en el uso de plasma para tratar la queratosis precancerosa (actínica) y las verrugas . El mismo equipo pudo mostrar resultados prometedores en el tratamiento de la caída del cabello ( alopecia androgenética ) con un protocolo modificado, denominado tratamiento con plasma indirecto.
Un grupo diferente en Alemania repitió el tratamiento con plasma exitoso de la queratosis actínica utilizando un tipo diferente de dispositivo de plasma, lo que demuestra aún más el valor de esta tecnología incluso en comparación con los métodos de tratamiento establecidos, como el diclofenaco tópico .
Hay ensayos clínicos en curso en dermatología para el acné, la rosácea, la caída del cabello y otras afecciones. El conocimiento adquirido al estudiar el tratamiento con plasma de las enfermedades de la piel también puede ayudar a desarrollar nuevas estrategias de Medicina del Plasma para tratar los órganos internos.
Mecanismos
Aunque se han visto muchos resultados positivos en los experimentos, no está claro cuál es el mecanismo de acción dominante para cualquier aplicación en la medicina del plasma. El tratamiento con plasma genera especies reactivas de oxígeno y nitrógeno, que incluyen radicales libres. Estas especies incluyen O, O 3 , OH , H 2 O 2 , HO 2 , NO , ONOOH y muchas otras. Esto aumenta el estrés oxidativo en las células, lo que puede explicar la destrucción selectiva de las células cancerosas, que ya están sometidas a estrés oxidativo. Además, las células procariotas pueden ser más sensibles al estrés oxidativo que las células eucariotas, lo que permite la muerte selectiva de bacterias.
Se sabe que los campos eléctricos pueden influir en las membranas celulares a partir de estudios sobre electroporación . Los campos eléctricos en las células que están siendo tratadas por un chorro de plasma pueden ser lo suficientemente altos como para producir electroporación, lo que puede influir directamente en el comportamiento de la célula, o simplemente puede permitir que más especies reactivas entren en la célula. Se sabe que las propiedades físicas y químicas del plasma inducen la absorción de nanomateriales en las células. Por ejemplo, la captación de nanopartículas de oro de 20 nm puede estimularse en células cancerosas utilizando dosis no letales de plasma frío. Los mecanismos de captación implican tanto la endocitosis dependiente de la energía como el transporte independiente de la energía a través de las membranas celulares. La ruta principal para la endocitosis acelerada de nanopartículas después de la exposición al plasma frío es una ruta de reparación de la membrana dependiente de clatrina causada por la peroxidación de lípidos y el daño de la membrana celular.
Recientemente, el papel del sistema inmunológico en la medicina del plasma se ha vuelto muy convincente. Es posible que las especies reactivas introducidas por un plasma recluten una respuesta inmune sistémica.