Plasma: Zukunftstechnologie für Medizin und Pharmazie

Kalte Plasmen werden auch als Nichtgleichgewichtsplasmen bezeichnet, da sich die Temperatur der Elektronen (sehr heiß) von der Temperatur des umgebenden Gases (Raumtemperatur oder höher) stark unterscheidet, also ein Ungleichgewicht herrscht. Die Elektronen erzeugen hochreaktive Spezies im kalten "Gas" und daher kann mit kalten Plasmen schon bei Raumtemperatur eine Reaktionschemie erzeugt werden, wie sie sonst nur bei extrem heißen Temperaturen auftritt. Am Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP Greifswald) werden eine Reihe von Plasmaquellen eingesetzt, die sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Temperaturen unterscheiden.

Beispiele für kalte Plasmen sind der Sonnenwind, das Nordlicht oder die als Energiesparlampe bekannte Leuchtstoffröhre. Auch in sogenannten Plasmafernsehern dienen die – hier mikroskopisch kleinen – kalten Plasmen dazu, die einzelnen Bildpunkte zu erzeugen. Dank ihrer hohen chemischen Reaktivität eignen sich kalte Plasmen sehr gut für die Behandlung von temperaturempfindlichen Materialien. Viele Kunststoffe können beispielsweise erst durch Veränderung ihrer Oberfläche durch Plasmabehandlung bedruckbar oder verklebbar gemacht werden. Aber vielmehr noch: Auch biologische Systeme, Gewebe oder einzelne Zellen können durch die im Plasma enthaltenen Spezies beeinflusst werden. Eine bereits in die Praxis vorgedrungene Anwendung ist z. B. die Dekontamination von wärmeempfindlichen Oberflächen. Zurzeit laufen in Greifswald und auch weltweit Versuche, diese Plasmen zur Dekontamination in den Markt zu überführen. Vielversprechend und bereits praktische Gegenwart sind Anwendungen in der Implantatmodifikation. Weitere Gebiete sind auch das Reinigen von Oberflächen und die Behandlung von Hautoberflächen. Ein schon am Menschen eingesetztes Verfahren nutzt eher hohe Temperaturen von über 300 °C: das sogenannte Kauterisieren führt mittels thermischer Energie zur Verödung von Geweben und kann unter anderem für die Behandlung von Oesophaguskarzinomen eingesetzt werden. Entsprechende Medizinprodukte sind am Markt platziert.

Aus der Forschung in die Praxis

Das Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP Greifswald) wurde 1992 gegründet. Es handelt sich um die größte außeruniversitäre Einrichtung zur Erforschung von Niedertemperaturplasmen in Europa. Kalte Plasmaquellen werden am INP bis zum Prototypen entwickelt und durch Industriepartner (neoplas-Gruppe) für die Anwendung durch Nicht-Physiker – so z. B. für den Einsatz durch Mediziner oder Zellbiologen – bereitgestellt. Das Institut, in dem fast 200 Mitarbeiter tätig sind, betreibt Forschung und Entwicklung von der Idee bis zum Prototyp, die Themen orientieren sich an den Bedürfnissen des Marktes. Derzeit stehen Umwelt- und Energietechnik, Oberflächen und Materialien sowie interdisziplinäre Themen in Biologie und Medizin im Mittelpunkt des Interesses.

Niedertemperaturplasmaquellen, die in Greifswald entwickelt werden, weisen ganz unterschiedliche Geometrien auf und der Aufbau erfolgt nach anwendungsorientierten Gesichtspunkten – die erzeugten Plasmen können haarfein mit Durchmessern von wenigen µm, voluminös oder auch flächig sein. Die Labormuster werden am INP selbst entwickelt. Serienreife haben bereits einige Quellen erlangt – meist inspiriert durch eine Kooperation mit der Industrie bzw. die Identifikation einer Applikation. Die derzeit im Life-Science-Bereich eingesetzten Geräte haben die Dimension von großen Filzstiften, der nutzbare Anteil des sogenannten "Effluenten" – der von der Plasmaquelle ausgeblasene Plasmastrahl – ist dann ca. 2 mm dick und bis zu 20 mm lang. Das ist ausreichend, um kleine Hautareale, Zellkultur- oder Petrischalen zu behandeln. Das Gerät ist sehr kompakt und benötigt nur einen Stromanschluss und eine Gasversorgung, ein Betrieb mit Luft und Edelgas ist möglich.

Autor
Dr. Kristian Wende Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) plasmatis
www.plasmatis.de
www.inp-greifswald.de

DAZ: Herr Professor von Woedtke, wie konnte sich die Plasmamedizin in Greifswald so erfolgreich etablieren?

von Woedtke: In unserem Institut, dem Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP Greifswald), stand man Anfang der 2000-er Jahre vor der Frage, welche neuen Einsatzgebiete es für Atmosphärendruck-Plasmen geben könnte. Unser Institutsdirektor Prof. Dr. Klaus-Dieter Weltmann war zu diesem Zeitpunkt zu der Auffassung gelangt, dass biologisch-medizinische Anwendungen ein zukunftsträchtiges Forschungsgebiet darstellen könnten. Es entstand ein umfangreiches Strategiekonzept, mit dem wir uns um den Status eines "Zentrums für Innovationskompetenz" im Programm "Unternehmen Region", das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ausgeschrieben worden war, bewarben. Diesen offenen Wettbewerb haben wir 2008 gewonnen und konnten inzwischen mit den ausgereichten Fördermitteln zwei Nachwuchsforschergruppen etablieren, die sich mit Forschungen zu Plasma-Zell-Wechselwirkungen auf zellulärer und molekularbiologischer Ebene beschäftigen. Aufbauend auf dieser Strategie kam eine zweite erfolgreiche Bewerbung im BMBF-Programm "Spitzenforschung und Innovation in den neuen Ländern", womit anwendungsbezogene Pilotprojekte gefördert werden. So sind wir jetzt in Greifswald in der erfreulichen Situation, dass wir mit großer personeller und gerätetechnischer Ausstattung sowohl Grundlagen- als auch Anwendungsforschung in enger Verzahnung betreiben können. International gehören wir heute zu den fünf führenden Zentren für Plasmamedizin-Forschung. Unser Ziel ist, dass wir nach Ende der fünfjährigen Förderperiode durch den Bund, also 2013/14, mit konkreten Projekten unter finanzieller Industriebeteiligung in die Anwendung kommen können.

DAZ: Welche konkreten Anwendungen wären dies?

von Woedtke: Wir unterscheiden hier zwischen indirekten plasmamedizinischen Anwendungen und dem Einsatz physikalischer Plasmen für therapeutische Zwecke, direkt am oder im menschlichen oder auch tierischen Körper.

Bei den indirekten Anwendungen hat sich die Oberflächenbehandlung von Materialien zur Verbesserung der Biokompatibilität, also z. B. der Benetzbarkeit, praktisch schon fast etabliert. Es werden bereits viele Implantate oder auch Materialien zur Zellkultivierung plasmavorbehandelt. Das zweite große Feld ist die Dekontamination mithilfe von Plasma. Dies ist besonders vorteilhaft für solche Oberflächen, die sich mit herkömmlichen Sterilisationsverfahren nicht keimfrei machen lassen, beispielsweise weil sie thermosensitiv oder strahlenempfindlich sind. Dieses Gebiet, auf dem wir auch arbeiten, wird seit ca. 15 Jahren international intensiv und erfolgreich beforscht. Bisher hat sich jedoch noch keine industrielle Anwendung auf dem Markt etabliert.

Bei der Anwendung physikalischer Plasmen im Niedertemperaturbereich für therapeutische Zwecke hat sich inzwischen die Behandlung schwer heilender chronischer Wunden oder auch großflächiger Verletzungen wie z. B. Brandwunden als ein wichtiges Einsatzgebiet herauskristallisiert. Denn bei derartigen Verletzungen haben wir zwei Herausforderungen: die Mikroorganismen müssen unschädlich gemacht und der Heilungsprozess stimuliert werden. Man kann sich vorstellen, dass es eines Tages Handgeräte geben wird, mit denen kaltes Plasma großflächig auf eine schlecht heilende Wunde appliziert werden kann. Dieses Prinzip ist auch bei schwierig zu behandelnden dermatologischen Krankheitsbildern wie z. B. Nagelpilz, Akne oder Schuppenflechte denkbar.

Das dritte große Feld ist die Anwendung in der Zahnheilkunde, wobei es in erster Linie um die Inaktivierung von Biofilmen, also Schleimschichten, in denen Mikroorganismen verschiedenster Art eingebettet sind, geht. Solche Biofilme bilden sich auf Zahnimplantat-Oberflächen und können zu Periodontitis und Periimplantitis führen, die sehr aufwendig und kompliziert zu behandeln sind. Mithilfe von Plasma könnte die Belastung für den Patienten verringert und der Therapieerfolg erhöht werden. Auch bei der Behandlung von Zahnwurzelkanälen könnte Plasma zur Anwendung kommen. Derartige Geräte hätten die Größe eines Stiftes, aus einem Ende würde das Plasma in sehr feinem Strahl austreten. Einige Arbeitsgruppen erforschen die Einsatzmöglichkeiten von Plasma in der Krebsbehandlung; dieses Feld bearbeiten wir hier in Greifswald allerdings nur peripher.

DAZ: Können Sie schon abschätzen, wann die ersten Anwendungen zur Praxisreife gelangt sein könnten?

von Woedtke: Es ist schwierig, sich da festzulegen. Ich denke aber, für Anwendungen im Bereich von infizierten Hauterkrankungen und auch erste Anwendungen in der Zahnmedizin könnten vier bis fünf Jahre realistisch sein. Das hängt natürlich von den zu überwindenden bürokratischen Hürden bei der jeweiligen Zulassung z. B. als Medizinprodukte ab.

Im Bereich der Hauterkrankungen wird es etwas länger dauern. Aber wie lange hängt ja nicht nur vom Erfolg unserer eigenen Forschungsarbeiten ab, sondern auch von der Industrie, die Geräte produziert, und nicht zuletzt von den Krankenkassen, die die Behandlungen finanzieren. Ich bin auch der Ansicht, dass wir mit der Plasmamedizin nicht in allen Fällen bestehende Therapien ersetzen können. Aber es könnte gelingen, sie zu unterstützen oder zu verbessern.

DAZ: Wie viele Mitarbeiter sind zurzeit in Greifswald mit plasmamedizinischer Forschung beschäftigt und worin besteht ihre besondere Rolle in diesem Team?

von Woedtke: Wir haben zurzeit in unserem Institut etwa 30 Mitarbeiter, die sich überwiegend mit Plasmamedizin beschäftigen. Traditionell ist das INP Greifswald ja durch Physiker, Chemiker und Ingenieure dominiert. Ich habe als Nicht-Physiker die Aufgabe, die Vermittlerrolle zu spielen. Dies beginnt mit einfachen Begrifflichkeiten wie z. B. dem Wort Plasma, womit ja bekanntermaßen Mediziner und Physiker völlig verschiedene Dinge bezeichnen. Ich habe die Konzepte mit entwickelt und bin jetzt verantwortlich für den Forschungsschwerpunkt Plasmamedizin/Dekontamination im Forschungsbereich

Plasmen für Biologie & Medizin. Das heißt, ich betreue die Forschungsarbeiten zum Thema Plasma-Zell- und Plasma-Mikroorganismen-Wechselwirkungen. Wir haben hier ein mikrobiologisches und ein zellbiologisches Labor aufgebaut und führen beispielsweise mit Plasmaquellen In-vitro-Testungen durch. Das Rüstzeug für diese Arbeit habe ich während meines Studiums und meiner Promotions- und Habilitationszeit auf dem Gebiet der Pharmazeutischen Technologie bekommen. Die Pharmazie ist ja ein sehr interdisziplinäres Fach, wobei mir noch zugute kam, dass ich in den 80-er Jahren die Fachrichtung Pharmazie/Experimentelle Pharmakologie und Toxikologie (EPT) studiert hatte, deren Absolventen primär für den Einsatz in der Forschung und nicht in der Apotheke ausgebildet worden waren. Durch die Professur, die an der medizinischen Fakultät angesiedelt ist, ist es nun gelungen, die Plasmamedizin als Fach an der Universität zu etablieren. Wir bieten bereits seit zwei Jahren eine "Einführung in die Plasmamedizin" als Wahlvorlesung vor allem für Physiker an und halten entsprechende Vorlesungen auch im Rahmen internationaler Sommerschulen. Eventuell schon im Herbst-, spätestens im Frühjahrssemester wird diese Vorlesung für Mediziner und andere interessierte Studierende, also auch Pharmazeuten und Biologen, angeboten. Damit soll die Plasmamedizin möglichst früh ins Bewusstsein von zukünftigen Ärzten gebracht werden. Es wird noch ein paar Jahre dauern, aber sie wird sich durchsetzen, ähnlich wie das mit der Lasermedizin geschehen ist. Wir hoffen, dass die Ärzte, die sich jetzt in der Ausbildung befinden, später in ihrer Berufspraxis Umgang mit der Plasmamedizin haben werden.

DAZ: Herr Professor von Woedtke, vielen Dank für das Gespräch!

DAZ 2011, Nr. 37, S. 71