WO2009101143A1 - Plasma-gerät zur selektiven behandlung elektroporierter zellen - Google Patents

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Klaus-Dieter Weltmann
Thomas Von Woedtke
Christian Wilke
Uwe Ehrenberg
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Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for treating living cells by means of a cold atmospheric pressure plasma with simultaneous selective electroporation of the cells for local selective killing of cancer cells, improvement of wound treatment and improved plasma antimicrobial activity.
  • the required dose of the drug may be about twenty times lower because selective killing achieves tissue-sparing effects with minimal scarring and a significant reduction in the side effects of the chemotherapeutic agent.
  • the cancer cells differ from the healthy cells in terms of their size, structure of the cell membrane and the electrical properties, a selectivity of the electroporation can be achieved by a suitable choice of the amplitude, number, duration and frequency of the high voltage pulses.
  • various devices are described for realizing such a controlled, selective electroporation of cells.
  • the problem has been solved according to the features of the claims.
  • the invention is based on the idea to simultaneously electroporate the cells to increase the effect of atmospheric pressure plasmas on living cells.
  • the membrane pores of cancer cells of a diseased skin area are selectively opened by impedance-controlled electroporation, so that the electroporated cancer cells can be killed by the generated in the atmospheric pressure plasma (eg Plasmajet or surface barrier discharge) radicals and on the additional use can be dispensed with by chemotherapeutic agents.
  • the atmospheric pressure plasma eg Plasmajet or surface barrier discharge
  • the problem of sterilization is achieved in that the cell membrane pores of the microorganisms to be killed are temporarily opened by a reversible electroporation with simultaneous plasma action and thereby a more effective killing of the cells can be done by the radicals generated in the plasma.
  • a reversible electroporation with simultaneous plasma action thereby a more effective killing of the cells can be done by the radicals generated in the plasma.
  • an application for cancer therapy is achieved by dispensing with the use of expensive chemotherapeutic a considerable reduction in treatment costs and the treatment is free of side effects.
  • the advantage of the invention is the ability to move from a poly-pragmatic treatment to an efficient and less expensive, universally applicable treatment that achieves an effective antiseptic effect associated with the stimulation of neoplasm healthy tissue is connected.
  • FIGS. 1 to 4 show the basic structure of the device according to the invention by way of example with reference to four embodiments, wherein in the examples shown in FIGS. 1 and 2 plate-shaped (2 b and 5 b) and in the case of FIG. 3 and FIG. 4 acicular electroporation electrodes are used.
  • acicular electroporation electrodes are used in the examples shown in Figs. 1 and 3.
  • surface barrier discharges are used in the examples shown in Figs. 2 and 4
  • plasma jets are used for plasma treatment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung lebender Zellen mittels eines kalten Atmosphärendruckplasmas bei gleichzeitiger selektiver Elektroporation der Zellen zur lokalen, selektiven Abtötung von Krebszellen, der Verbesserung der Wundbehandlung und einer verbesserten antimikrobiellen Plasmawirkung.

Description

Plasma-Gerät zur selektiven Behandlung elektroporierter Zellen
[Beschreibung]
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung lebender Zellen mittels eines kalten Atmosphärendruckplasmas bei gleichzeitiger selektiver Elektroporati- on der Zellen zur lokalen, selektiven Abtötung von Krebszellen, der Verbesserung der Wundbehandlung und einer verbesserten antimikrobiellen Plasmawirkung.
[Stand der Technik]
1. Problem der Krebstherapie:
[0002] Die einzeln oder in Kombination verwendeten Standardverfahren der Krebstherapie sind heute die Operation, die Chemotherapie und die Strahlungstherapie. In der klinischen Erprobung befindet sich derzeit eine Methode, die als "Elektroporationstherapie" (EPT), "E- lektrochemotherapie" (ECT) bzw. "Hochspannungs-Impulstherapie" (HVIT) bezeichnet wird und darauf basiert, dass durch die gezielte Anwendung gepulster elektrischer Felder selektiv die Membranporen der Krebszellen kurzzeitig reversibel geöffnet werden (-Elektroporation), so dass eine drastisch erhöhte Aufnahme der für die Chemotherapie verwendeten Wirkstoffe, wie beispielsweise Bleomycin bzw. Cisplatin durch die Zellen erzielt wird. Die Vorteile gegenüber der konventionellen Chemotherapie bestehen darin, dass bei der Elektrochemothera- pie die erforderliche Wirkstoffdosis etwa zwanzigfach niedriger gewählt werden kann, wegen der selektiven Abtötung eine Gewebe schonende Wirkung bei minimaler Narbenbildung und eine starke Reduzierung der durch das Chemotherapeutikum hervorgerufenen Nebenwirkungen erreicht wird. Da sich die Krebszellen von den gesunden Zellen hinsichtlich ihrer Größe, Struktur der Zellmembran und der elektrischen Eigenschaften unterscheiden, kann eine Selektivität der Elektroporation durch eine geeignete Wahl der Amplitude, Anzahl, Dauer und Fre- quenz der Hochspannungsimpulse erreicht werden. In den Patentschriften DE69604509, DE69928383 und DE60106901 werden verschiedene Vorrichtungen dafür beschrieben, eine solche gesteuerte, selektive Elektroporation von Zellen zu realisieren.
[0003] Auch wenn bei der Elektro Chemotherapie die Wirkstoffdosis beträchtlich reduziert werden kann, so kann doch nicht völlig auf den Einsatz teurer Chemotherapeutika verzichtet werden, die, zwar in geringerem Maße als bei konventioneller Chemotherapie, Nebenwirkungen auf gesundes Körpergewebe haben. 2. Problem der Heilung chronischer Wunden:
[0004] Da chronische Wunden meist die Folge von Grunderkrankungen sind, besteht der primäre Ansatz für ihre Heilung in der Diagnostik und Kausaltherapie dieses Grundleidens. In vielen Fällen ist die Heilung der Grunderkrankung jedoch nicht möglich, so dass durch viel- fältige lokaltherapeutische Maßnahmen, wie beispielsweise durch chirurgische Eingriffe, Wundreinigung und -desinfektion, durch den Einsatz von Antibiotika sowie von speziellen Wundauflagen und Wundverbänden, versucht wird, eine Heilung der Wunde trotz fortbestehender Grunderkrankung zu erreichen.
[0005] Das ständig zunehmende Angebot an Therapeutika (Salben, Tinkturen, Puder, Anti- septika, Antibiotika) sowie Verbandmaterialien und Verbandstoffsystemen zur Behandlung chronischer Wunden, und das damit verbundene Problem der richtigen Auswahl und Anwendung, führt zu einem therapeutischen Vorgehen, das durch eine große Zahl verschiedener, unkoordinierter und oft wirkungsloser ärztlicher Maßnahmen gekennzeichnet ist (- Polypragmasie) und oft die Ursache für Heilungsverzögerungen und Kostensteigerungen ist. 3. Problem der Sterilisation, Dekontamination und Aufbereitung medizintechnischer Produkte:
[0006] Da für eine steigende Zahl medizintechnischer Produkte der Einsatz der bekannten Standard- Verfahren zur thermischen, chemischen, UV- und γ- Sterilisation aus materialtechnischen, konstruktionsspezifϊschen sowie umweit- und gesundheitsrelevanten Gründen nicht mehr eingesetzt werden können, gewinnt die Entwicklung von Verfahren zur materialschonenden und effektiven antimikrobiellen Behandlung zunehmend an Bedeutung. Interessante Möglichkeiten zur Lösung dieses Problems bieten plasmatechnische Verfahren. Wie aus zahlreichen Publikationen und Patentschriften hervorgeht, wird weltweit intensiv an Lösungen dieser Art gearbeitet. [0007] Durch den Einsatz von Plasmen zur materialschonenden Dekontamination von medizintechnischen Produkten aus empfindlichen, thermo labilen Materialien sind zwar bereits in einigen Fällen Entkeimungserfolge in der Größenordnung der für die Sterilisation geforderten 6 log-Stufen erzielt worden, allerdings nur für einige der relevanten Mikroorganismen. Die Möglichkeiten dieser Technik sind aber bisher noch nicht voll ausgeschöpft.
[Aufgabe der Erfindung] [0008] Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen Lösungen zu beseitigen.
Lösung der Aufgabe
[0009] Die Aufgabe wurde gemäß den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. [0010] Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, zur Erhöhung der Wirkung von Atmosphärendruckplasmen auf lebende Zellen die Zellen gleichzeitig zu elektroporieren. So werden bei der Anwendung für die Krebstherapie die Membranporen der Krebszellen eines erkrankten Hautareals durch impedanzgesteuerte Elektroporation selektiv geöffnet, so dass die elektroporier- ten Krebszellen durch die im Atmosphärendruckplasma (z.B. Plasmajet oder Oberflächen- Barrierenentladung) erzeugten Radikale abgetötet werden können und auf den zusätzlichen Einsatz von Chemotherapeutika verzichtet werden kann.
[0011] Auf der Grundlage dieser Erfindung ist es möglich, folgende Probleme zu lösen:
1. Problem der Krebstherapie: lokale, selektive Abtötung von Krebszellen ohne den Ein- satz von Chemotherapeutika,
2. Problem der Heilung chronischer Wunden: neuer therapeutischer Ansatz zur Verbesserung der Wundbehandlung als Kombination einer antiseptischen Wirkung mit einer Stimulierung der Neubildung von gesundem Gewebe,
3. Problem der Sterilisation, Dekontamination und Aufbereitung medizintechnischer Pro- dukte: verbesserte antimikrobielle Plasma Wirkung durch Kombination mit einer E- lektroporation der Mikroorganismen-Zellen.
[0012] Im Fall der Behandlung der Zellen von chronischen Wunden kann durch die parallele Anwendung von Elektroporation und Atmosphärendruckplasma bei optimaler Wahl der Be- handlungsparameter eine wirksamere antiseptische Wirkung des Plasmas bei gleichzeitiger Stimulierung der Neubildung von gesunden Gewebezellen erzielt werden.
[0013] Das Problem der Sterilisation wird dadurch gelöst, dass durch eine reversible Elektroporation bei gleichzeitiger Plasmawirkung die Zellmembranporen der abzutötenden Mikroorganismen temporär geöffnet werden und dadurch eine effektivere Abtötung der Zellen durch die im Plasma erzeugten Radikale erfolgen kann. [0014] Im Fall einer Anwendung zur Krebstherapie wird durch den Verzicht auf den Einsatz teurer Chemotherapeutika eine beträchtliche Senkung der Behandlungskosten erreicht und die Behandlung ist frei von Nebenwirkungen.
[0015] Bei der Behandlung von chronischen Wunden besteht der Vorteil der Erfindung in der Möglichkeit, von einer polypragmatischen Behandlung zu einer effizienten und kostengünstigeren, universell anwendbaren Behandlung zu gelangen, durch die eine effektive antiseptische Wirkung erzielt wird, die mit der Stimulierung einer Neubildung von gesundem Gewebe verbunden ist.
[0016] Durch die zusätzliche Anwendung einer Elektroporation während der Sterilisation, Dekontamination oder Aufbereitung medizintechnischer Produkte mittels Atmosphärendruckplasmen wird eine wesentliche Verbesserung der Sterilisationseffizienz erzielt.
Beschreibung der Zeichnungen
[0017] Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, ohne sie auf diese Zei- chnungen zu beschränken. Die Fig. 1 bis Fig. 4 zeigen den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielhaft anhand von vier Ausführungsformen, wobei bei den in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Beispielen plattenförmige (2b und 5b) und im Fall von Fig. 3 und Fig. 4 nadeiförmige Elektroporations-Elektroden verwendet werden. In den in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellten Beispielen werden Oberflächen-Barrierenentladungen und in den in Fig. 2 und Fig. 4 gezeigten Anordnungen Plasmajets zur Plasmabehandlung verwendet.
Bezugszeichenliste
[0018] Für die nachfolgenden Zeichnungen werden folgende Bezugszeichen verwendet:
1 Gasdüse 2 geerdete Elektrode
2a geerdete Plasmaquellen-Elektrode 2b geerdete Elektroporations-Elektrode
3 Zellgewebe 4 Dielektrikum
5 Hochspannungs-Elektrode 5a Plasmaquellen-Elektrode
5b Elektroporations-Elektrode 6 Isolation
7 Spannungsversorgung 7a Plasmaquellen-Spannungsversorgung 7b Elektroporations-Spannungsversorgung
8 Gaszufuhr 9 Plasma

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Behandlung von lebenden Zellen mittels eines Plasmas bei gleichzeitiger Elektroporation der Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung neben herkömmlichen Einrichtungen zur Elektroporation Einrichtungen zur Erzeugung eines Plasmas aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Atmosphärendruckplasma, vorzugsweise ein kaltes oder Nicht-thermisches Atmosphärendruckplasma, handelt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Plasmaquellen-Elektrode, mindestens eine Elektroporations-Elektrode, eine Gaszufuhr und mindestens eine Spannungsversorgung enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich eine Gasdüse, mindestens ein Dielektrikum, Isolation und mindestens eine Hochspannungs- Elektrode enthält.
5. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur biologischen Dekontamination von Gegenständen, Wunden und Haut.
6. Verwendung nach Anspruch 5 zur Sterilisation von Gegenständen, Wunden und Haut.
7. Verfahren zur Behandlung von Krebserkrankungen, dadurch gekennzeichnet, dass Krebszellen gleichzeitig elektroporiert und mit einem Plasma behandelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Plasma um ein Atmosphärendruckplasma, vorzugsweise ein kaltes oder Nicht-thermisches Atmosphärendruckplasma, handelt.
9. Verfahren zur Behandlung von Hautkrebs ohne Einsatz von Chemotherapeutika, dadurch gekennzeichnet, dass Krebszellen eines erkrankten Hautareals durch impedanzge- steuerte Elektroporation selektiv geöffnet und die elektroporierten Krebszellen durch die im Atmosphärendruckplasma erzeugten Radikale abgetötet werden.
10. Verfahren zur Behandlung der Zellen von chronischen Wunden, dadurch gekennzeichnet, dass eine parallele Anwendung von Elektroporation und eines Atmosphärendruckplasmas auf die Zellen von chronischen Wunden erfolgt.
11. Verfahren zur Sterilisation von Gegenständen, dadurch gekennzeichnet, dass eine reversible Elektroporation bei gleichzeitiger Plasmaeinwirkung auf die Zellmembranporen der abzutötenden Mikroorganismen erfolgt und diese dadurch temporär geöffnet werden und so eine effektivere Abtötung der Zellen durch die im Plasma erzeugten Radikale erfolgt.
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