Introduction: Physical plasma is a promising new technology regarding its antimicrobial effects. This is especially accounting for treatment of bacterial infection of chronic wounds. Plasma can be generated with different carrier gases causing various biological effects. Screening of different carrier gases and plasma generation setups is therefore needed to find suitable compositions for highly effective antimicrobial plasma treatments and other applications.
Method: The plasma source used was a radio-frequency plasma jet which generates tissue tolerable plasma (TTP). The study compared the antimicrobial efficacy of air, argon, or helium plasma alone or admixed with 0.1%, 0.5%, and 1% oxygen against Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) and Staphylococcus aureus (S. aureus). Treatment took place in an environmentally open and delimited system. Therefore, bacteria were plated on agar and treated with plasma in a punctiform manner. The resulting inhibition zones were measured and the reduction factors were calculated by colony counting, respectively.
Results: For S. aureus and P. aeruginosa, inhibition zones and overall reduction of colony forming units (CFU) on the agar plate were observed while an accumulative reduction of CFU dominated for S. aureus. The highest antimicrobial effect was shown in form of an inhibition zone for argon plasma with 0.1% oxygen admixture for both species. S. aureus was more sensitive for helium plasma with >0.1% oxygen admixture compared to P. aeruginosa which in turn was more sensitive for argon plasma with and without oxygen. The efficacy of air plasma was very low in comparison to the other gases. The treatment in a closed system predominantly enhanced the antimicrobial effect. The effect intensity varied for each treatment time and gas mixtures.
Discussion: As expected, the antimicrobial effect mostly increased when increasing oxygen admixture to the carrier gases. The variation in bacterial growth and inhibition after exposure to different plasma gas compositions could be due to a varying generation of reactive oxygen species or radiation.
Conclusion: The applied plasma in a "closed system" accumulates bactericidal plasma species and might increase antimicrobial efficacy in clinical settings as in wound management involving multi-drug resistant bacteria.
Problemstellung: Physikalisches Plasma ist eine neue, vielversprechende Möglichkeit zur Inaktivierung von Mikroorganismen insbesondere in Hinblick auf die Antiseptik chronischer infizierter Wunden. Plasma kann in verschiedenen Trägergasen generiert und verschiedenartig appliziert werden, woraus unterschiedliche biologische Effekte resultieren. Ein Screening verschiedener Gasmischungen und Applikationsformen ist daher erforderlich, um geeignete Gasmischungen zur antimikrobiellen Behandlung mit Plasma zu ermitteln und neue Erkenntnisse für geeignete Behandlungsstrategien zu erhalten.
Methode: Es wurde ein Hochfrequenz-Plasmajet, der gewebeverträgliches Plasma (Tissue Tolerable Plasma, TTP) erzeugt, verwendet, um die antimikrobielle Wirksamkeit von Plasma in Argon und Helium ohne und mit Beimischung von 0,1%, 0,5% und 1% Sauerstoff und in Luft an den Testorganismen Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) und Staphylococcus aureus (S. aureus) zu vergleichen. Die Applikationen erfolgten je in einem zur Umgebungsatmosphäre offenen bzw. geschlossenen System. Die Bakterien wurden auf Nähragar ausplattiert und punktförmig mit Plasma behandelt. Zur Wirksamkeitsbestimmung wurden Wachstums-Hemmhöfe ausgemessen und mittels Anzahl der koloniebildenden Einheiten (KbE) auf der Platte der Reduktionsfaktor bestimmt.
Ergebnisse: Bei S. aureus und P. aeruginosa wurden sowohl Hemmhöfe als auch Gesamtreduktionen beobachtet, wobei es bei S. aureus verstärkt zu einer Gesamtreduktion kam. Am Merkmal der Hemmhöfe zeigte Argonplasma mit 0,1% Sauerstoff den stärksten antimikrobiellen Effekt an beiden Spezies. S. aureus war gegenüber Plasmabehandlungen mit Helium mit >0,1% Sauerstoff sensibler als P. aeruginosa, während P. aeruginosa sensibler nach Plasmabehandlungen mit Argon und Argon mit Sauerstoffbeimischungen reagierte. Luftplasma zeigte im Vergleich zu den anderen Trägergasen einen sehr geringen antimikrobiellen Effekt. Behandlung im geschlossenen System verstärkte die Plasmawirkung in den meisten Fällen. Die Intensität des Plasmaeffekts unterschied sich in Abhängigkeit von der Anwendungsdauer und der Gaszusammensetzung.
Diskussion: Erwartungsgemäß wurde in den meisten Fällen die Wirksamkeit des Plasmas bei steigender Sauerstoffbeimischung verstärkt. Die unterschiedlichen Plasmaeffekte der verschiedenen Gasmischungen können auf Grund der Generierung unterschiedlicher reaktiver Sauerstoffspezies oder energiereicher Strahlung vermutet werden.
Schlussfolgerung: Im Hinblick auf medizinische Anwendungen zur Wundbehandlung und Antiseptik multiresistenter Erreger verstärkt ein geschlossenes Behandlungssystem die antiseptische Wirkung von Plasma und könnte neue Wege zur Anwendung von TTP öffnen.
Keywords: Pseudomonas aeruginosa; Staphylococcus aureus; Tissue Tolerable Plasma (TTP); air plasma; argon plasma; helium plasma; microorganism-agar test (MAT); oxygen admixture; radio-frequency plasma jet.