À medida que o interesse na aplicação da medicina de plasma - o uso de plasma de baixa temperatura (LTP) criado por uma descarga elétrica para tratar de problemas médicos - continua a crescer, o mesmo ocorre com a necessidade de avanços na pesquisa, comprovando suas capacidades e impactos potenciais no setor de saúde. Através do mundo, muitos grupos de pesquisa estão investigando a medicina de plasma para aplicações, incluindo o tratamento do câncer e a cura acelerada de feridas crônicas, entre outros.

Pesquisadores da Penn State's College of Engineering, A Faculdade de Ciências Agrárias e a Faculdade de Medicina afirmam que o tratamento LTP direto e a mídia ativada por plasma são tratamentos eficazes contra bactérias encontradas em culturas líquidas. Os pesquisadores também dizem que desenvolveram uma maneira única de criar plasma diretamente em líquidos.

O time, composta por engenheiros, físicos, cientistas veterinários e biomédicos e profissionais médicos, está usando um jato de plasma de pressão atmosférica para usar o plasma da temperatura ambiente - "frio" - para tratar bactérias.

Plasma, o quarto estado da matéria, é tipicamente muito quente - milhares a milhões de graus. Ao usar plasma gerado à pressão atmosférica ou em líquidos, os pesquisadores podem criar moléculas e átomos com efeitos antibacterianos sem queimar nada. Sean Knecht, professor assistente de design de engenharia na Penn State e líder do Laboratório multidisciplinar para ciência e engenharia de plasma integrado, disse que este processo cria muitos tipos diferentes de partículas reativas, tornando a probabilidade de mutações bacterianas para combater simultaneamente todas as partículas quase inexistentes.

Knecht explicou que os resultados da pesquisa da equipe, publicado em Relatórios Científicos , mostram que a tecnologia de plasma gera grandes quantidades de espécies reativas de oxigênio ou partículas reativas criadas a partir de moléculas que contêm átomos de oxigênio, incluindo moléculas de oxigênio no ar e no vapor d'água. O efeito do plasma em diferentes bactérias, como E. coli e Staph. aureus é significativo, resultando em muitas mortes bacterianas ao longo de várias gerações.

"Ao longo de quatro gerações de bactérias, essas bactérias não adquirem nenhuma forma de resistência ao tratamento com plasma, " ele disse.

Girish Kirimanjeswara, professor associado de ciências veterinárias e biomédicas na Penn State, disse que isso é extremamente importante devido à forma típica de mutação das bactérias, tornando-os resistentes aos antibióticos.

Os antibióticos têm como alvo uma via metabólica específica, proteína essencial ou ácidos nucléicos em bactérias. Por causa disso, os antibióticos precisam entrar em uma célula bacteriana para encontrar e se ligar a esse alvo específico. Qualquer mutação bacteriana que diminua a capacidade de entrada de um antibiótico ou aumente sua taxa de saída torna o antibiótico menos eficaz. As mutações acontecem naturalmente em uma taxa baixa, mas podem se acumular rapidamente por pressão de seleção quando introduzidos em antibióticos destinados a combater as bactérias.

De acordo com Kirimanjeswara, os resultados da pesquisa da equipe mostram que o tratamento com plasma produz várias espécies reativas de oxigênio em uma concentração alta o suficiente para matar as bactérias, mas baixo o suficiente para não ter impactos negativos nas células humanas. Ele explicou que as espécies de oxigênio atingem rapidamente praticamente todas as partes da bactéria, incluindo proteínas, lipídios e ácidos nucléicos.

"Pode-se chamar de abordagem de marreta, "Kirimanjeswara disse." É difícil desenvolver resistência por uma única mutação ou mesmo por um monte de mutações. "

A equipe também aplicou essas descobertas para projetar um sistema que pode criar plasma diretamente em líquidos. Os pesquisadores pretendem criar plasma no sangue para tratar infecções cardiovasculares diretamente na fonte. Para fazer isso, alta tensão elétrica e grandes correntes elétricas são normalmente usadas. No sistema de plasma criado pelos pesquisadores, a corrente elétrica e a energia que podem chegar ao paciente são minimizadas pelo uso de dielétrico, ou eletricamente isolante, materiais. Os materiais que a equipe usaria normalmente para criar o plasma incluem vidro e cerâmica, devido à sua capacidade de suportar altas temperaturas locais. Esses materiais tendem a formar coágulos sanguíneos e podem não ser muito flexíveis, uma necessidade se eles forem usados ​​no sistema cardiovascular. A equipe está investigando revestimentos isolantes que são biocompatíveis, ou aceitável pelo corpo humano, e flexível. Knecht disse que a equipe identificou um polímero chamado Parylene-C e relatou os resultados iniciais na publicação IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. A equipe está buscando ainda mais esse caminho, já que os polímeros têm pontos de fusão baixos e podem não resistir à exposição repetida ao plasma.

"Polímeros biocompatíveis podem ser usados ​​para geração de plasma em líquidos biológicos, mas sua vida é limitada, "Knecht disse." Novos projetos exclusivos de geração de plasma devem ser desenvolvidos para produzir descargas de plasma de menor intensidade que podem estender sua vida útil. É nisso que continuamos a trabalhar. "

Kirimanjeswara disse que os cientistas normalmente trabalham para entender como diferentes bactérias causam doenças ou como as respostas imunológicas do hospedeiro eliminam as bactérias para criar novos antibióticos e vacinas. Embora essas abordagens mais tradicionais sejam essenciais, muitas vezes são graduais e demorados. A pesquisa inovadora da equipe destaca a importância de continuar a investigar novas maneiras de combater bactérias.

"Abordagens transformativas e interdisciplinares têm o potencial de acelerar a descoberta de soluções para problemas globais urgentes, "disse ele." É importante que o público em geral esteja ciente e aprecie o fato de que a comunidade científica está engajada em várias abordagens, alguns tradicionais e outros não tradicionais, para combater o problema crescente de resistência aos antibióticos. Esperamos que nossa pesquisa reforce a ideia de adotar abordagens não antibióticas para tratar infecções bacterianas no futuro. "

A equipe de pesquisa inclui Knecht; Kirimanjeswara; Sven Bilén, chefe da Escola de Design de Engenharia, Tecnologia, e Programas Profissionais e professor de design de engenharia, engenharia elétrica e engenharia aeroespacial; Christopher Siedlecki, professor de cirurgia na Faculdade de Medicina; alunos de graduação McKayla Nicol do Departamento de Ciências Veterinárias e Biomédicas, Ali Kazemi, do Departamento de Engenharia Biomédica, e o ex-membro Timothy Brubaker, um doutorado em 2019 pelo Departamento de Engenharia Elétrica.