A medida que aumenta el interés en la aplicación de la medicina del plasma, el uso de plasma de baja temperatura (LTP) creado por una descarga eléctrica para abordar problemas médicos, también lo hace la necesidad de avances en la investigación que demuestren sus capacidades y posibles impactos en la industria de la atención médica. Alrededor del mundo, muchos grupos de investigación están investigando la medicina del plasma para aplicaciones que incluyen el tratamiento del cáncer y la curación acelerada de heridas crónicas, entre otros.

Investigadores de la Facultad de Ingeniería de Penn State, La Facultad de Ciencias Agrícolas y la Facultad de Medicina dicen que el tratamiento directo con LTP y los medios activados por plasma son tratamientos efectivos contra las bacterias que se encuentran en los cultivos líquidos. Los investigadores también dicen que han ideado una forma única de crear plasma directamente en líquidos.

El equipo, compuesto por ingenieros, físicos, científicos veterinarios y biomédicos y profesionales médicos, utiliza un chorro de plasma a presión atmosférica para utilizar plasma a temperatura ambiente ("frío") para tratar bacterias.

Plasma, el cuarto estado de la materia, es típicamente muy caliente, de miles a millones de grados. Utilizando plasma generado a presión atmosférica o en líquidos, los investigadores pueden crear moléculas y átomos con efectos antibacterianos sin quemar nada. Sean Knecht, profesor asistente de enseñanza de diseño de ingeniería en Penn State y líder del Laboratorio Interdisciplinario de Ciencia e Ingeniería Integradas del Plasma, dijo que este proceso crea muchos tipos diferentes de partículas reactivas, haciendo que la probabilidad de mutaciones bacterianas para combatir simultáneamente todas las partículas sea casi inexistente.

Knecht explicó que los resultados de la investigación del equipo, publicado en Informes científicos , muestran que la tecnología del plasma genera grandes cantidades de especies reactivas de oxígeno o partículas reactivas creadas a partir de moléculas que contienen átomos de oxígeno, incluidas las moléculas de oxígeno en el aire y el vapor de agua. Efecto del plasma sobre diferentes bacterias como E. coli y Staph. aureus es significativo, resultando en muchas muertes bacterianas a través de múltiples generaciones.

"A lo largo de cuatro generaciones de bacterias, estas bacterias no adquieren ninguna forma de resistencia al tratamiento con plasma, " él dijo.

Girish Kirimanjeswara, profesor asociado de ciencias veterinarias y biomédicas en Penn State, dijo que esto es extremadamente importante debido a la forma típica en que mutan las bacterias, haciéndolos resistentes a los antibióticos.

Los antibióticos se dirigen a una vía metabólica específica, proteína esencial o ácidos nucleicos en bacterias. Debido a esto, los antibióticos tienen que entrar en una célula bacteriana para encontrar y unirse a ese objetivo específico. Cualquier mutación bacteriana que disminuya la capacidad de entrada de un antibiótico o aumente su velocidad de salida hace que el antibiótico sea menos eficaz. Las mutaciones ocurren naturalmente a un ritmo bajo, pero pueden acumularse rápidamente por presión de selección cuando se introducen en antibióticos destinados a combatir las bacterias.

Según Kirimanjeswara, Los resultados de la investigación del equipo muestran que el tratamiento con plasma produce varias especies reactivas de oxígeno en una concentración lo suficientemente alta como para matar bacterias. pero lo suficientemente bajo como para no tener impactos negativos en las células humanas. Explicó que las especies de oxígeno se dirigen rápidamente a prácticamente todas las partes de las bacterias, incluidas las proteínas, lípidos y ácidos nucleicos.

"Uno puede llamarlo un enfoque de mazo, Kirimanjeswara dijo. "Es difícil desarrollar resistencia por una sola mutación o incluso por un montón de mutaciones".

El equipo también aplicó estos hallazgos para diseñar un sistema que puede crear plasma directamente en líquidos. Los investigadores tienen la intención de crear plasma en sangre para abordar las infecciones cardiovasculares directamente en la fuente. Para hacerlo Por lo general, se utilizan altas tensiones eléctricas y grandes corrientes eléctricas. En el sistema de plasma creado por los investigadores, la corriente eléctrica y la energía que pueden llegar al paciente se minimizan mediante el uso de dieléctrico, o eléctricamente aislante, materiales. Los materiales que el equipo normalmente usaría para crear el plasma incluyen vidrio y cerámica debido a su capacidad para soportar altas temperaturas locales. Estos materiales tienden a hacer que la sangre se coagule y pueden no ser muy flexibles. una necesidad si se van a utilizar en el sistema cardiovascular. El equipo está investigando revestimientos aislantes que sean biocompatibles, o aceptable por el cuerpo humano, y flexible. Knecht dijo que el equipo identificó un polímero llamado Parylene-C y reportó los resultados iniciales en la revista IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. El equipo sigue esta vía, ya que los polímeros tienen puntos de fusión bajos y es posible que no resistan la exposición repetida al plasma.

"Los polímeros biocompatibles se pueden utilizar para la generación de plasma en líquidos biológicos, pero su vida es limitada, ", Dijo Knecht." Se deben desarrollar nuevos diseños únicos de generación de plasma para producir descargas de plasma de menor intensidad que puedan extender su vida útil. Eso es en lo que seguimos trabajando ".

Kirimanjeswara dijo que los científicos suelen trabajar para comprender cómo las diferentes bacterias causan enfermedades o cómo las respuestas inmunitarias del huésped eliminan las bacterias para crear nuevos antibióticos y vacunas. Aunque estos enfoques más tradicionales son esenciales, a menudo son graduales y requieren mucho tiempo. La innovadora investigación del equipo destaca la importancia de seguir investigando nuevas formas de combatir las bacterias.

"Los enfoques transformadores e interdisciplinarios tienen el potencial de acelerar la búsqueda de soluciones a problemas globales urgentes, ", dijo." Es importante que el público en general sea consciente y aprecie el hecho de que la comunidad científica está involucrada en varios enfoques, algunos tradicionales y otros no tradicionales, para combatir el creciente problema de la resistencia a los antibióticos. Esperamos que nuestra investigación refuerce la idea de adoptar enfoques sin antibióticos para tratar infecciones bacterianas en el futuro ".

El equipo de investigación incluye a Knecht; Kirimanjeswara; Sven Bilén, director de la Escuela de Diseño de Ingeniería, Tecnología, y Programas Profesionales y profesor de diseño de ingeniería, ingeniería eléctrica e ingeniería aeroespacial; Christopher Siedlecki, profesor de cirugía en la Facultad de Medicina; estudiantes graduados McKayla Nicol del Departamento de Ciencias Veterinarias y Biomédicas, Ali Kazemi del Departamento de Ingeniería Biomédica, y el ex miembro Timothy Brubaker, un graduado de doctorado de 2019 del Departamento de Ingeniería Eléctrica.