UNIVERSITÄT SHEFFIELD
Dieser Artikel stellt ein elektrochemisches Verfahren vor und erklärt das Prinzip dahinter, um die antimikrobielle Wirkung der Plasma-aktivierten Hydrogeltherapie (PAHT) bei der Wunddekontamination zu verbessern.
Das gleiche Verfahren verstärkt auch die Produktion anderer Moleküle, wie reaktiver Stickstoffspezies (RNS). Elektrochemisch verstärkte PAHT ist hochwirksam bei der Bekämpfung von häufigen Wundpathogenen wie Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa und einigermaßen effektiv gegen Staphylococcus aureus. Insgesamt zeigt diese Studie, dass der neue PAHT-Verband eine vielversprechende Alternative zu Antibiotika und silberbasierten Verbänden für die Infektionskontrolle und Wundheilung darstellt.
Chronische Wundinfektionen sind eine stille Pandemie und drohen zu einer globalen Gesundheitskrise zu werden. Die Behandlungskosten für chronische Wunden wie diabetische Fußgeschwüre (DFU) werden auf 17 Milliarden Dollar pro Jahr geschätzt und übertreffen damit die Kosten der fünf teuersten Krebserkrankungen in den USA. Die Herausforderung ist weltweit, und aktuelle Prognosen zeigen, dass bis 2030 etwa 578 Millionen Menschen an Diabetes leiden werden (ein Anstieg um 36 % seit 2020). Mehr als 30 % der Menschen mit Diabetes erleiden im Laufe ihres Lebens ein Geschwür, von denen 60 % infiziert werden. Dieses zunehmende Problem wird durch die antimikrobielle Resistenz (AMR) verschärft, die bis 2050 jährlich 10 Millionen Todesfälle verursachen könnte, mit einem wirtschaftlichen Schaden von 100 Billionen Dollar weltweit. Der zunehmende Einsatz von Antibiotika könnte die AMR außer Kontrolle geraten lassen, was zu einer Antibiotikakontamination führt, die Umwelt schädigt und große Umweltreserven antimikrobieller Resistenzen schafft.
Leider hängt die Behandlung chronischer Wunden hauptsächlich von einer begrenzten Anzahl an Optionen ab. Dazu gehören kostengünstige manuelle Debridement-Verfahren und Schutzverbände oder, alternativ, teure, hochentwickelte antimikrobielle Verbände und Medikamente. Alle behandeln nur einen Aspekt des Problems. Schwere Infektionen erfordern systemische Antibiotika und Amputationen, wenn nichts anderes hilft.
Plasma bei niedriger Temperatur und atmosphärischem Druck stellt eine neue und vielversprechende Technologie dar, um Infektionen zu kontrollieren und die Heilung schwer heilender Wunden zu fördern. Die Vorteile von Plasma wurden in klinischen Studien nachgewiesen, die zeigen, dass die Behandlung die bakterielle Belastung in Wunden reduziert und die Heilung fördert, ohne langfristige Nebenwirkungen zu verursachen. Plasma zeichnet sich daher durch seine doppelte Wirkung bei der Infektionskontrolle und Wundheilung aus. Dies liegt vor allem an der einzigartigen und komplexen Mischung aus reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und reaktiven Stickstoffspezies (RNS), gemeinsam bekannt als reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (RONS), die durch Plasma erzeugt werden.
Abbildung: Physikalische Eigenschaften des PVA-Hydrogels, einschließlich a) Anpassungsfähigkeit, b) Dehnbarkeit und c) Quellung vor und nach Inkubation in Wasser. Quantifizierte Quellungsverhältnisse werden auch für unbehandelte PVA-Hydrogele (0 min) und plasma-behandelte PVA-Hydrogele unter d) frei schwebenden (PVA-FLT) und e) geerdeten (PVA-GND) Bedingungen gezeigt, mit Plasmabehandlungszeiten von 2,5, 10 und 20 Minuten (n = 3). * Größere Abschnitte von PVA-Hydrogelen sind in (a) und (b) gezeigt als in Experimenten verwendet, zur Klarheit.
Die Behandlung beinhaltet die Aktivierung von Hydrogel-Verbänden durch Plasma (elektrisches Gas), um eine einzigartige Mischung aus verschiedenen chemischen Oxidationsmitteln zu erzeugen, die bei Anwendung auf die Wunde effektiv dekontaminiert und die Heilung chronischer Wunden unterstützt.
Die neue Methode stellt einen bedeutenden Durchbruch dar, der die Behandlung von Geschwüren und inneren Wunden, insbesondere von diabetischen Fußgeschwüren, revolutionieren könnte. Über 540 Millionen Menschen weltweit leben mit Diabetes, von denen 30 % im Laufe ihres Lebens ein Fußgeschwür entwickeln werden.
Ein internationales Forscherteam hat eine wirksame Behandlung für chronische Wunden entwickelt, die keine Antibiotika verwendet, sondern ionisiertes Gas zur Aktivierung eines Verbands nutzt. Die Behandlung beinhaltet die Plasma-Aktivierung von Hydrogel-Verbänden (die häufig in der Wundversorgung verwendet werden) mit einer einzigartigen Mischung verschiedener chemischer Oxidationsmittel, die zur Dekontaminierung und Unterstützung der Heilung chronischer Wunden wirksam ist.
Forscher der Universität Sheffield und der Universität von Südaustralien, die die Studie leiteten, glauben, dass diese neue Methode einen bedeutenden Fortschritt im Kampf gegen antibiotikaresistente Krankheitserreger darstellt und das Potenzial hat, die Behandlung von diabetischen Fußgeschwüren und inneren Wunden zu verändern.
Professor Rob Short, Professor für Chemie an der Universität Sheffield und Mitautor der Studie, sagte: „Weltweit leben mehr als 540 Millionen Menschen mit Diabetes, von denen 30 % im Laufe ihres Lebens ein Fußgeschwür entwickeln werden. Dies ist eine vernachlässigte globale Pandemie, die in den kommenden Jahren aufgrund steigender Fettleibigkeit und mangelnder Bewegung weiter zunehmen wird.“
„Allein in England erhalten jede Woche zwischen 60.000 und 75.000 Menschen eine Behandlung für diabetische Fußgeschwüre. Die Infektion ist eines der größten Risiken. Immer häufiger sprechen viele Infektionen nicht mehr auf Standard-Antibiotika-Behandlungen an, da die Bakterien resistent werden, was jährlich zu 7.000 Amputationen führt.“
„Es besteht ein dringender Bedarf an Innovationen im Wundmanagement und in der Behandlung, und es ist ein echtes Privileg, Teil des internationalen Teams zu sein, das seit über 10 Jahren an dieser alternativen Behandlung arbeitet.“
Die Vorteile des kalt ionisierten Plasmagases wurden bereits in klinischen Studien nachgewiesen, die zeigen, dass es nicht nur Infektionen kontrolliert, sondern auch die Heilung fördert. Dies liegt an dem starken chemischen Cocktail von Oxidationsmitteln, insbesondere reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies (RONS), die entstehen, wenn Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle in der Umgebungsluft aktiviert werden.
Dr. Endre Szili von der Universität Südaustralien, der die Studie leitete, die diese Woche in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht wurde, sagte: „Antibiotika und Silberverbände werden häufig zur Behandlung chronischer Wunden verwendet, aber beide haben Nachteile.“
„Die zunehmende Antibiotikaresistenz ist eine globale Herausforderung, und es gibt auch große Bedenken hinsichtlich der durch Silber verursachten Toxizität. In Europa werden Silberverbände aus diesem Grund schrittweise aus dem Verkehr gezogen.“
Das internationale Forscherteam hat gezeigt, dass plasma-aktivierte Hydrogele mit RONS das Gel viel wirksamer machen, indem sie häufig vorkommende Bakterien abtöten. Obwohl sich die Studie auf diabetische Fußgeschwüre konzentrierte, könnte die Technologie auf alle chronischen Wunden und inneren Infektionen angewendet werden.
„Trotz der ermutigenden Ergebnisse bei der Verwendung von plasma-aktivierter Hydrogel-Therapie (PAHT) stehen wir vor der Herausforderung, Hydrogele mit ausreichend hohen Konzentrationen an RONS für die klinische Anwendung zu beladen. Wir haben dieses Hindernis überwunden, indem wir eine neue elektrochemische Methode zur Verbesserung der Hydrogel-Aktivierung eingesetzt haben“, erklärte Dr. Szili.
Neben der Abtötung häufiger Bakterien (E. coli und P. aeruginosa), die Wundinfektionen verursachen, sagen die Forscher, dass plasma-aktivierte Hydrogele auch das Immunsystem des Körpers aktivieren könnten, was möglicherweise zur Bekämpfung von Infektionen beitragen könnte. „Chronische Wundinfektionen sind eine stille Pandemie, die zu einer globalen Gesundheitskrise werden könnte“, fügte Dr. Szili hinzu.
„Ein großer Vorteil unserer PAHT-Technologie ist, dass sie zur Behandlung aller Wunden eingesetzt werden kann. Es handelt sich um eine umweltfreundliche Behandlung, die natürliche Bestandteile der Luft und des Wassers nutzt, um ihre aktiven Inhaltsstoffe zu erzeugen, die in ungiftige, biokompatible Komponenten zerfallen.“
„Die aktiven Inhaltsstoffe könnten über einen längeren Zeitraum abgegeben werden, was die Behandlung verbessert und das Potenzial zur Durchdringung eines Tumors erhöht. Plasma hat ein enormes Potenzial in der Medizin, und das ist erst der Anfang“, erklärte Dr. Szili.
Der nächste Schritt wird klinische Studien umfassen, um die elektrochemische Technologie für die Behandlung menschlicher Patienten zu optimieren.
Ein elektrochemischer Ansatz wurde untersucht und charakterisiert, um die Produktion reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies (RONS) in plasma-aktiviertem Hydrogel (PAHT) zur Kontrolle des Wachstums häufiger pathogener Bakterien in Wunden zu verbessern. Durch die elektrochemische Verstärkung des He-Plasmadüsen-Behandlungssystems wurde eine beispiellose Menge von 3,4 mM H2O2 in gezielten PVA-Hydrogelen produziert. Diese Verbände waren sehr wirksam bei der Kontrolle des Wachstums von E. coli und P. aeruginosa und etwas wirksam gegen S. aureus.
Als nächstes wird eine in vivo-Validierung der neuen PAHT-Verbände notwendig sein, um sicherzustellen, dass die Technologie für die Wundbehandlung wirksam und sicher ist. Dennoch bietet die neue Technologie eine vielversprechende Alternative zu den bestehenden Antibiotika- und Silberverbänden, die aufgrund der zunehmenden Probleme mit antimikrobieller Resistenz und kumulativer Silbertoxizität ersetzt werden müssen.
