Plasmasterilisation: mit Wirkstoffcocktail gegen Bakterien

Interview mit Juniorprof. Katharina Stapelmann, Lehrstuhl für Allgemeine Elektrotechnik und Plasmatechnik (AEPT), Ruhr-Universität Bochum

01.06.2016

Bisher war Plasma, der vierte Aggregatzustand der Materie, Gegenstand für Astrophysiker und Science-Fiction-Fans. Mittlerweile findet es jedoch auch Beachtung in der Medizin, denn Plasma ist hier vielseitig einsetzbar. Die Sterilisation mit Plasma könnte in Zukunft ein wichtiger Baustein für die Krankenhaushygiene werden - das passende Gerät vorausgesetzt.

Foto: Lächelnde Frau mit langen blonden Haaren und Brille - Juniorprof. Katharina Stapelmann

Juniorprof. Katharina Stapelmann; ©Meike Klinck

Im Interview mit MEDICA.de erklärt Juniorprof. Katharina Stapelmann, wie Plasma gegen Pathogene wirkt, wie sich damit auch Wunden behandeln lassen, und wie einfach ein Plasmasterilisator funktioniert.

Frau Juniorprof. Stapelmann, was ist Plasma?

Juniorprof. Katharina Stapelmann: Plasma ist ein teilweise ionisiertes Gas. Dieser Aggregatszustand entsteht, wenn man zu einem Gas wie Wasserstoff, Sauerstoff oder Argon Energie hinzufügt. Grob gesagt unterscheiden wir zwischen heißen und kalten Plasmen. Das prominenteste Beispiel für heißes Plasma ist unsere Sonne. In diesem heißen Plasma befindet sich viel Energie, der Ionisationsgrad ist hoch und die Teilchen - die leichten Elektronen, die schwereren neutralen Teilchen und die Ionen - können die Energie effizient untereinander austauschen.

Bei einem kalten Plasma, das zur Sterilisation oder zur Wundheilung eingesetzt werden kann, tragen nur die leichten Elektronen Energie. Sie können wegen ihrer geringen Masse die Energie nicht effizient an die schwereren Teilchen weitergeben. Das Plasma bleibt insgesamt kalt und hat ungefähr Raumtemperatur, weil die energiearmen schwereren Teilchen die Temperatur dominieren.

Was geschieht bei der Plasmasterilisation eines medizinischen Gerätes oder eines chirurgischen Instruments?

Stapelmann: Plasma ist ein ganzer Wirkstoffcocktail mit verschiedensten Inhaltsstoffen und Wirkmechanismen. Die enthaltene UV-Strahlung zerstört DNA, sodass Bakterien sich nicht weiter vermehren können. Reaktive Teilchen wie Radikale interagieren mit biologischen Materialien und oxidieren diese. Durch Ätz- und Sputter-Prozesse lässt sich mit Plasma biologisches Material auch sehr gut abtragen.

Dieser Cocktail greift Bakterien auf verschiedenen Ebenen an. Damit wird auch eine Entstehung von Resistenzen verhindert.

Wir wirksam ist die Plasmasterilisation im Vergleich zu anderen Methoden?

Stapelmann: Es gibt noch keinen direkten Vergleich zu anderen Methoden. Die Plasmasterilisation befindet sich derzeit noch im Forschungsstadium. Sie ist als Verfahren bisher nirgendwo zugelassen. Gegenüber anderen Methoden bietet sie Vorteile, allerdings nicht auf allen Ebenen. Die Sterilisation mit Plasma ist deutlich schneller als das Autoklavieren und sie benötigt keine giftigen Materialien. Die einzig mir bekannte Einschränkung liegt bei Kunststoffen: Es lassen sich nicht alle Arten mit Plasma sterilisieren.

Plasmasterilisation - Bildergalerie

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Foto: Forscherin mit kurzen dunklen Haaren und Brille arbeitet an einem großen Apparat
Juniorprofessorin Dr. Katharina Stapelmann hat an der RUB einen Prototypen für einen Plasmasterilisator gebaut.
Foto: Forscherin mit kurzen dunklen Haaren und Brille setzt transparente Schublade in Apparat ein
Die Sterilisationskammer entwarf die Forscherin als praktische Schublade mit einer Grundfläche im DIN-A4-Format.
Foto: Teile aus Kunststoff liegen in einer pink leuchtenden, transparenten Schublade
Katharina Stapelmanns Sterilisator eignet sich nicht nur für Medizinbesteck und Bauteile für die Raumfahrt. Auch Bohrschablonen für Zahnimplantate kann sie damit von Keimen befreien – interessant für Zahntechniker, die bislang kein Sterilisationsverfahren zur Verfügung haben, mit dem sie die empfindlichen Teile aus Metall und Kunststoff behandeln können.
Foto: Großer Apparat aus Metall mit pink leuchtendem Fenster in der Front
Der Sterilisator im RUB-Labor nutzt ein Wasserstoff-Plasma, für das das pinke Leuchten charakteristisch ist.
Foto: Teppiche aus kugelförmigen Bakterien in einer schwarz-weißen Aufnahme
Für ihre Sterilisationsversuche nutzte Katharina Stapelmann Schrauben, die von circa 25 Lagen eines besonders hartnäckigen Bakteriums überzogen waren. Bei 1000-facher Vergrößerung kann man mit dem Rasterelektronenmikroskop die einzelnen kugelförmigen Bakterienzellen sichtbar machen.

Sie haben eben die Wundheilung erwähnt. Wo liegt da die Schnittmenge mit der Sterilisation?

Stapelmann: Es geht bei der Wundheilung nicht um eine Sterilisation, sondern um eine Reduktion der Pathogene in der Wunde, damit der Körper selber wieder dagegen ankämpfen kann. Das wird durch die Inaktivierung der Pathogene, also der Zerstörung ihrer DNA erreicht.

Plasma wirkt aber auch hier vielschichtig. Durch die Zuführung von Stickstoffmonoxid, NO, oder eines seiner Derivate wie Nitrat oder Nitrit in die Wunde wird das Immunsystem an dieser Stelle aktiviert. Das ist ein Prozess, der in unserem Körper eigentlich normal ist, der aber bei chronischen Wunden gestört ist. Das Plasma senkt außerdem den pH-Wert in der Wunde und macht die Umgebung so unwirtlicher für Pathogene.

Ist der Kontakt mit Plasma nicht schädlich für Körperzellen?

Stapelmann: Grundsätzlich produzieren Plasmen UV-Strahlung und Radikale, die toxisch wirken können. Deshalb ist es wichtig, Grenzwerte zu beachten und ein Plasma vor dem Einsatz gründlich zu charakterisieren. Menschliche Zellen sind wegen ihrer Größe aber deutlich unempfindlicher für die Effekte des Plasmas als bakterielle Zellen.

Die Wundheilung mit Plasma ist schon zugelassen, es gibt einige Geräte auf dem Markt und erste klinische Studien wurden auch durchgeführt. Das Verfahren macht einen sehr guten Eindruck und bisher sind auch keinerlei unerwünschte Nebeneffekte oder Nebenwirkungen bekannt.

Zurück zur Sterilisation: Sie haben an der RUB einen Plasmasterilisator gebaut, der irgendwann im Krankenhaus eingesetzt werden könnte. Wie kann man sich das Gerät vorstellen?

Stapelmann: Es hat etwa die Größe eines üblichen Autoklaven und passt auf einen Tisch. Das Gerät wird über einen Touchscreen gesteuert. Als Benutzer muss man nur die Sterilisation starten, dann läuft der gesamte Prozess automatisch ab. Die Entladungskammer hat die Form einer Schublade und ist verschließbar, sodass sie auch als Sterilcontainer dienen kann. Sterilisierte Instrumente können bis zur Verwendung darin bleiben und sind geschützt.

Für die Anwendung sind keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen zu beachten. Das Gerät funktioniert mit einem herkömmlichen Steckdosenanschluss bei 220 Volt. Hinsichtlich der elektromagnetischen Strahlung ist alles abgeschirmt.

Wie wollen Sie die Entwicklung jetzt weiterführen?

Stapelmann: Die Grundlagenforschung am Sterilisator ist abgeschlossen. Um das Gerät noch weiter zu entwickeln, benötigen wir jetzt die Hilfe einer interessierten Firma. Insofern kann man hier auch noch nicht von einem Prototypen sprechen, weil der Sterilisator noch nicht serienreif ist.

Wir untersuchen aber weiterhin die Wirkmechanismen der Plasmasterilisation, um den Prozess zu optimieren, effizienter zu machen und zu verstehen. Im aktuellen Projekt untersuchen wir die Sporen von Bacillus subtilis, um herauszufinden, welche Schutzmechanismen Sporen haben und wie wir sie ausnutzen können.

Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview wurde geführt von Timo Roth.
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