L'intérêt pour l'application de la médecine des plasmas – l'utilisation de plasma à basse température (LTP) créé par une décharge électrique pour résoudre les problèmes médicaux – ne cesse de croître, tout comme le besoin d'avancées en recherche prouvant ses capacités et ses impacts potentiels sur la l'industrie de la santé. Partout dans le monde, de nombreux groupes de recherche étudient la médecine plasmatique pour des applications telles que le traitement du cancer et la guérison accélérée des plaies chroniques, entre autres.
Des chercheurs du Penn State College of Engineering, du College of Agricultural Sciences et du College of Medicine affirment que le traitement direct par LTP et les milieux activés par plasma sont des traitements efficaces contre les bactéries présentes dans les cultures liquides. Les chercheurs affirment également avoir conçu un moyen unique de créer directement du plasma dans des liquides.
L'équipe, composée d'ingénieurs, de physiciens, de scientifiques vétérinaires et biomédicaux et de professionnels de la santé, utilise un jet de plasma à pression atmosphérique pour utiliser le plasma à température ambiante – «froid» – pour traiter les bactéries.
Le plasma, le quatrième état de la matière, est généralement très chaud – des milliers à des millions de degrés. En utilisant du plasma généré à la pression atmosphérique ou dans des liquides, les chercheurs peuvent créer des molécules et des atomes aux effets antibactériens sans rien brûler. Sean Knecht, professeur adjoint assistant de conception technique à Penn State et chef du Laboratoire interdisciplinaire pour la science et l'ingénierie du plasma intégrées, a déclaré que ce processus crée de nombreux types de particules réactives, ce qui rend la probabilité de mutations bactériennes de combattre simultanément toutes les particules presque inexistant.
Knecht a expliqué que les résultats de recherche de l'équipe, publiés dans Rapports scientifiques, montrent que la technologie du plasma génère de grandes quantités d'espèces réactives de l'oxygène ou de particules réactives créées à partir de molécules qui contiennent des atomes d'oxygène, y compris des molécules d'oxygène dans l'air et la vapeur d'eau. L'effet du plasma sur différentes bactéries telles que E. coli et Staph. aureus est important, entraînant de nombreuses morts bactériennes sur plusieurs générations.
Au cours de quatre générations de bactéries, ces bactéries n'acquièrent aucune forme de résistance au traitement plasma. «
Sean Knecht, professeur adjoint d'enseignement de la conception technique à Penn State et chef du Laboratoire interdisciplinaire pour la science et l'ingénierie intégrées du plasma
Girish Kirimanjeswara, professeur agrégé de sciences vétérinaires et biomédicales à Penn State, a déclaré que cela était extrêmement important en raison de la façon typique dont les bactéries mutent, ce qui les rend résistantes aux antibiotiques.
Les antibiotiques ciblent une voie métabolique spécifique, des protéines essentielles ou des acides nucléiques dans les bactéries. Pour cette raison, les antibiotiques doivent pénétrer dans une cellule bactérienne pour trouver et se lier à cette cible spécifique. Toute mutation bactérienne qui diminue les capacités d'entrée d'un antibiotique ou augmente son taux de sortie rend l'antibiotique moins efficace. Les mutations se produisent naturellement à un faible taux mais peuvent s'accumuler rapidement par pression de sélection lorsqu'elles sont introduites dans des antibiotiques destinés à lutter contre les bactéries.
Selon Kirimanjeswara, les résultats de recherche de l'équipe montrent que le traitement au plasma produit diverses espèces réactives d'oxygène à une concentration suffisamment élevée pour tuer les bactéries, mais suffisamment faible pour ne pas avoir d'impacts négatifs sur les cellules humaines. Il a expliqué que les espèces d'oxygène ciblent rapidement pratiquement toutes les parties des bactéries, y compris les protéines, les lipides et les acides nucléiques.
« On peut appeler cela une approche au marteau », a déclaré Kirimanjeswara. « Il est difficile de développer une résistance par une seule mutation ou même par un tas de mutations. »
L'équipe a également appliqué ces résultats pour concevoir un système capable de créer du plasma directement dans des liquides. Les chercheurs ont l'intention de créer du plasma dans le sang pour lutter contre les infections cardiovasculaires directement à la source. Pour ce faire, une tension électrique élevée et des courants électriques importants sont généralement utilisés. Dans le système plasma créé par les chercheurs, le courant électrique et l'énergie qui pourraient atteindre le patient sont minimisés en utilisant des matériaux diélectriques ou électriquement isolants. Les matériaux que l'équipe utilise généralement pour créer le plasma comprennent le verre et la céramique en raison de leur capacité à résister à des températures locales élevées. Ces matériaux ont tendance à former des caillots sanguins et peuvent ne pas être très flexibles, une nécessité s'ils doivent être utilisés dans le système cardiovasculaire. L'équipe étudie des revêtements isolants biocompatibles ou acceptables par le corps humain et flexibles. Knecht a déclaré que l'équipe avait identifié un polymère appelé Parylene-C et rapporté les premiers résultats dans le journal. Transactions de l'IEEE sur les sciences médicales des rayonnements et du plasma. L'équipe poursuit cette voie, car les polymères ont des points de fusion bas et peuvent ne pas résister à une exposition répétée au plasma.
« Les polymères biocompatibles peuvent être utilisés pour la génération de plasma dans les liquides biologiques, mais leur durée de vie est limitée », a déclaré Knecht. « De nouvelles conceptions uniques de génération de plasma doivent être développées pour produire des décharges de plasma de faible intensité qui peuvent prolonger leur durée de vie. C'est ce sur quoi nous continuons à travailler. »
Kirimanjeswara a déclaré que les scientifiques travaillent généralement pour comprendre comment différentes bactéries provoquent des maladies ou comment les réponses immunitaires de l'hôte éliminent les bactéries pour créer de nouveaux antibiotiques et vaccins. Bien que ces approches plus traditionnelles soient essentielles, elles sont souvent progressives et chronophages. Les recherches innovantes de l'équipe soulignent l'importance de continuer à rechercher de nouvelles façons de lutter contre les bactéries.
« Les approches transformatrices et interdisciplinaires ont le potentiel d'accélérer la recherche de solutions aux problèmes mondiaux urgents », a-t-il déclaré. « Il est important pour le grand public d'être conscient et d'apprécier le fait que la communauté scientifique est engagée dans plusieurs approches, certaines traditionnelles et d'autres non traditionnelles, pour lutter contre le problème croissant de la résistance aux antibiotiques. Nous espérons que nos recherches renforcent l'idée d'embrasser approches non anti-antibiotiques pour traiter les infections bactériennes à l'avenir. «
La source:
Référence de la revue:
Nicol, M.J., et al. (2020) Les effets antibactériens du plasma à basse température généré par le jet de plasma à pression atmosphérique sont médiés par des espèces réactives de l'oxygène. Rapports scientifiques. doi.org/10.1038/s41598-020-59652-6.
