gms | German Medical Science

Fragestellung: Kalte atmosphärische Plasmen (CAPs), die durch dielektrische Barrierenentladung (DBD) erzeugt werden, insbesondere solche, die höhere Mengen an Stickstoffmonoxid (NO) oder NO-Derivate (NOD) enthalten, ziehen zunehmendes Interesse auf medizinischen Gebieten auf sich. Wie wir kürzlich berichteten, führte die Behandlung menschlicher Haut mit NO/NOD-haltigen CAPs zu einer signifikanten Penetration und Akkumulation von NODs im Hautgewebe, senkte den pH-Wert und führte zu einer Freisetzung biologisch relevanter Mengen von nicht enzymatisch erzeugtem NO. In der vorliegenden Studie haben wir zum ersten Mal die Möglichkeit einer DBD-CAP-induzierten NOD-Akkumulation und einer therapeutisch relevanten NO-Freisetzung im Knochengewebe charakterisiert.

Methodik: Zur Plasmaherstellung haben wir einen absolut definierten Prototyp eines DBD-Geräts mit einer zylindrischen und Aluminiumoxid-beschichteten Kupferelektrode (ø10 mm) verwendet. CAPs wurden in Umgebungsluft durch Anlegen unterschiedlicher Spannungsimpulse (kV) in Kombination mit unterschiedlichen Triggerfrequenzen erzeugt, was bei einem Luftspalt von 1 mm und positiver Polarität einer in der Entladung dissipierten Leistung von 122 mW, 275 mW, 221 mW bzw. 410 mW entsprach. Der Gehalt von NO-Derivaten wurde mittels der Chemilumineszenz-Detektion (CLD)-Methode quantifiziert. Als Knochenpräparate verwendeten wir Rinderknochenchips, Knochenstanzen aus Schweineschulterblättern sowie humane Knochenpräparate aus dem Schenkelhals. Humane Proben wurden mit Zustimmung der Spender und gemäß den Richtlinien der Ethikkommission des Universitätsklinikums Düsseldorf (Studiennummer 3634) und in Übereinstimmung mit der Deklaration der Helsinki-Prinzipien (Revision Oktober 2013) verwendet. Als Testbakterium verwendeten wir eine Staphylococcus epidermidis-Stammlösung mit einem McFarland-Wert von 0,5 mcf.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Hier zeigen wir, dass es durch Modulation der Verlustleistung in der Entladung möglich ist, CAPs mit erhöhten Potenzialen für die Akkumulation von NODs in den exponierten Knochenproben zu erzeugen. Die Behandlung des Knochengewebes mit diesen CAPs führte

1.

zu einer deutlich gesteigerten Aufnahme von NODs auch in tieferen Regionen,

2.

zu einer deutlichen Absenkung des pH-Wertes,

3.

zu einer langanhaltenden und modulierbaren NO-Produktion in den Knochenproben sowie

4.

zu einem signifikanten Schutz vor bakteriellen Kontaminationen und starker bakterizider Wirkung bei bakteriell infizierten Knochenproben.

Unsere Ergebnisse weisen stark darauf hin, dass die aktuelle Plasmatechnologie durch die Möglichkeit einer gezielten Modulation des NOD-Gehalts in den generierten CAPs wirksame NO-basierte Therapieoptionen bei der Behandlung lokaler bakterieller Infektionen des Knochengewebes eröffnet. Dieses Wissen ist von großer Bedeutung für die Entwicklung neuer Therapien gegen bakteriell-infektiöse Komplikationen bei der Knochenheilung, wie beispielsweise der Osteitis oder Osteomyelitis.