Das Zentrum für Innovationskompetenz

Die Plasmamedizin ist ein junges Forschungsgebiet an der Schnittstelle zwischen Plasmaphysik, Biologie und Medizin, das sich seit etwa 10 Jahren international etabliert und einen enormen Aufschwung erlebt. Mit plasmatis – Plasma plus Zelle ist 2009 in Greifswald ein Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) entstanden, das exakt an dieser Schnittstelle angesiedelt ist und international sichtbare und nachhaltige Beiträge zur Weiterentwicklung der Plasmamedizin leistet.

Unter physikalischem Plasma versteht man energiereiches Gas, in dem sich freie Elektronen, Ionen und angeregte Gasteilchen befinden. Bekannte natürliche physikalische Plasmen sind die Sterne, wie zum Beispiel unsere Sonne und das Nord- oder Südpolarlicht, welches durch den Sonnenwind – ebenfalls ein Plasma – ausgelöst wird. Unterschieden werden Plasmen unter anderem durch den Grad ihrer Ionisierung und ihrer daraus resultierenden Temperatur: Heiße Plasmen sind stark ionisierte Systeme, während solche, die gering bis mäßig ionisiert sind, als kalte Plasmen bezeichnet werden. Wissenschaftlich und technisch werden seit über 100 Jahren vor allem heiße Plasmen sowie Plasmen im Niederdruck eingesetzt, so zum Beispiel beim Lichtbogenschweißen, bei der Oberflächenbehandlung, in der Halbleiterindustrie oder in der Lampentechnologie. In den letzten Jahren sind zunehmend Plasmaquellen entstanden, die unter Normaldruckbedingungen betrieben werden und so kühl sind, dass man damit auch sehr empfindliche Oberflächen, wie zum Beispiel menschliche Haut, behandeln kann. Mit der dadurch möglich gewordenen Verbindung von Plasmaphysik und Lebenswissenschaften ist ein neues spannendes Forschungsgebiet entstanden.

Die Grundlagenforschung von plasmatis in diesem Bereich hat zahlreiche Erkenntnisse geliefert, wie kalte Plasmen auf biologische Systeme wie Mikroorgansimen, Zellen und Gewebe wirken und welche Wirkungsmechanismen den damit erzielbaren und medizinisch nutzbaren Effekten zugrunde liegen. Im Zentrum der bisherigen Forschung stand insbesondere die Unterstützung der Heilung schlecht heilender Wunden durch Plasmabehandlung. Hierfür gibt es bereits als Medizinprodukte verfügbare Plasmageräte, der Schritt in die klinische Praxis ist vollzogen. Mittel- und langfristig wird die Forschung auf dem Gebiet der Plasmamedizin weitere wichtige Impulse für neue Therapiemöglichkeiten liefern.

Die Ziele

Die plasmatis‐Forschungskonzeption folgt der Grundidee, den Einfluss des physikalischen Plasmas als einer neuen Energiequelle mit seinen unterschiedlichen Teilchen und Wellen auf lebendes Gewebe zu untersuchen und aus den erzielten Wirkungen neue Möglichkeiten zur Nutzung von Plasma in der Medizin abzuleiten. Auf dieser Basis wurde das geplante Forschungsprogramm methodisch und exemplarisch zunächst auf die Wundheilung ausgerichtet, um daraus auf der Grundlage einer wissenschaftlich begründeten Hypothese einen neuen, viel versprechenden Therapieansatz herzuleiten: „Plasma kann heilen!“

Dieses plasmatis‐Strategiekonzept wird seit 2010 konsequent und erfolgreich umgesetzt. Die wesentlichen Ergebnisse der bisherigen plasmatis‐Forschung lassen sich in vier Kernaussagen zusammenfassen, aus denen sich die neuen Fragestellungen und Aufgabenfelder für die Bearbeitung in den zukünftigen Gruppen ableiten lassen:

1. Die wundheilungsfördernde Wirkung von kaltem Plasma ist experimentell nachgewiesen und wissenschaftlich begründet.
   Fragestellung: Lassen sich Unterschiede in der Ätiologie der Wunde, der mikrobiologischen Besiedlung oder dem metabolischen Status für eine gezielte und individuelle therapeutische Anpassung des Plasmas nutzen?
2. Die biologische Hauptwirkung kalter Plasmen wird über eine lokale und zeitlich begrenzte Veränderung der Zellumgebung vermittelt. Daraus ergeben sich Auswirkungen auf die zelluläre Redox-Balance. Die Redox-Balance ist das Gleichgewicht zwischen den oxidativen und antioxidativen Prozessen in biologischen Systemen und gewährleistet die normale Funktion der Zelle.
   Fragestellung: Lassen sich die Erkenntnisse zur zentralen Rolle redoxaktiver Spezies zur Beeinflussung der zellulären Redox-Balance auch auf andere Krankheitsbilder übertragen?
3. Redoxaktive Spezies entstehen vor allem in der flüssigen Zellumgebung durch Wechsel-wirkungen des Plasmas mit Flüssigkeiten. Diese und der vom Plasma vermittelte Energie-eintrag spielen eine zentrale Rolle bei der Vermittlung biologischer Plasmaeffekte.
   Fragestellung: Lassen sich durch eine detaillierte Analytik von Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkungen einzelne, für spezielle biologische Effekte hauptverantwortliche redoxaktive Spezies identifizieren?
4. Biologische Plasma-Effekte können über die Anregungsenergie, die Zusammensetzung des Arbeitsgases und die Umgebungsbedingungen gezielt kontrolliert werden.
   Fragestellung: Lassen sich auf der Basis der vorliegenden Erkenntnisse für spezifische medizinische Anwendungen optimale Plasmaquellen konzipieren bzw. können neue Konzepte für spezifische Anwendungen entwickelt werden?

Diese Fragestellungen werden in zwei neuen Nachwuchsforschergruppen (NWG) im ZIK plasmatis sowie in zwei assoziierten Forschergruppen (FG) weiter bearbeitet.

Die thematischen Schwerpunkte

Nachwuchsgruppe „Plasma-Redox-Effekte“
Nachwuchsgruppenleiter Dr. Sander Bekeschus

Kalte Plasmen beeinflussen die Redox-Balance der Zellen und sind somit in der Lage, Zellen selektiv entweder zu stimulieren oder abzutöten. Verschiedene Zell- und Gewebetypen reagieren unterschiedlich sensitiv auf die Plasmaeinwirkung. Diese Grunderkenntnisse werden in der weiteren plasmatis-Forschung dafür genutzt, kalte Plasmen in der Medizin differenzierter an die spezifische physiologische Situation anzupassen. Die NWG „Plasma-Redox-Effekte“ wird vorhandene Erkenntnisse aus der Redox-Biologie mit den aktuellen Ergebnissen der plasmatis-Forschung verbinden. Sie konzentriert sich auf die fundamentalen Ursachen der unterschiedlichen Sensitivität von gesunden und Zellen mit einer gestörten Redox-Balance gegenüber Plasma. Im Fokus der neuen Nachwuchsforschergruppe „Plasma-Redox-Effekte“ stehen die Wirkmechanismen von Kaltplasma auf Krebszellen. Dabei sollen die redoxbiologischen und tumorimmunologischen Grundlagen im Zuge der Kaltplasmabehandlung verstanden und langfristig therapeutisch genutzt werden.

Nachwuchsgruppe „Plasma-Flüssigkeits-Effekte“
Nachwuchsgruppenleiter Dr. Kristian Wende

Ziel der Nachwuchsgruppe "Plasma-Flüssigkeits-Effekte" ist es, die durch Plasmabehandlung angeregten chemischen Prozesse in wässrigen Flüssigkeiten in ihrer Komplexität besser zu verstehen und gezielt zu steuern. Dafür sollen durch instrumentelle Analytik der flüssigen Phase in Kombination mit Plasma- und Gasphasendiagnostik wesentliche, im Ergebnis von Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkungen entstehende reaktive Komponenten und deren Rolle für nachfolgende biologische Effekte identifiziert werden. Große Bedeutung kommt dabei insbesondere der Interaktion von biogenen (Makro-) Molekülen und den durch das Plasma generierten redoxaktiven Molekülen zu. Mit dem fundamentalen Verständnis der Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkung werden so die wesentlichen Kenngrößen identifiziert, die für die Erzeugung des maßgeschneiderten "Cocktails" aktiver Plasmaspezies für spezifische biologische Effekte notwendig sind. Damit wird die Voraussetzung für an besondere therapeutische Anforderungen adaptierte Plasmaquellen geschaffen.

Forschergruppe „Plasma-Quellenkozepte“
Forschungsgruppenleiter Dr. Torsten Gerling

Die FG "Plasma-Quellenkonzepte" geht aus der bisherigen NWG "Extrazelluläre Effekte" hervor. Die bisherigen Erkenntnisse der plasmatis-Forschung haben gezeigt, dass es speziell die in den Elektronen transportierte Energie erlaubt, den durch die Plasmaerzeugung generierten physikalischen Stimulus in plasmachemische Prozesse und daraus resultierende biologische Effekte gezielt umzuwandeln, ohne auf hohe Temperaturen angewiesen zu sein. Damit kann direkt auf die Plasmaerzeugung Einfluss genommen wird.

Die Arbeiten der FG „Plasma-Quellenkonzepte“ sollen zu grundsätzlichen Erkenntnissen darüber führen, wie sich die vom Plasma erzeugten Bestandteile durch Einflussnahme auf die für die Energieverteilung relevanten Plasmaparameter einstellen lassen, um genau regulierbare Steuergrößen zu erlangen, mit denen die biologischen Prozesse stimuliert werden können. Hier ergibt sich eine unmittelbare Interaktion mit den Arbeiten der NWG „Plasma-Flüssigkeits-Effekte“ und "Plasma-Redox-Effekte". Das Forschungskonzept der FG "Plasma-Quellenkonzepte" beinhaltet die Entwicklung neuartiger Quellenkonzepte unter Einsatz neuer Quellen-Geometrien, neuer Materialien und neuer elektrischer Möglichkeiten zur Plasmaerzeugung über die gezielte Ansteuerung der Elektronen, um dadurch eine unmittelbare Kontrolle über die Plasmachemie zu erreichen.

Forschergruppe „Plasma-Wundheilung“
Forschungsgruppenleiter Dr. Kai Masur

Die FG "Plasma-Wundheilung" geht aus der bisherigen NWG "Zelluläre Effekte" hervor. Mit der bisherigen Forschung des ZIK plasmatis konnte nachgewiesen werden, dass kalte Plasmen bei gezielter Anwendung eine selektive Stimulation der Regeneration von geschädigten Zellverbänden und lebendem Gewebe erreichen können. Das Forschungsziel dieser FG ist die Vertiefung und Erweiterung der Grundlagen plasmabasierter Wundheilung durch das Auffinden von molekularen Unterschieden in der Radikalabwehr, im Stoffwechsel und der Zellreparatur zwischen humanen Zellen der Haut und des Immunsystems in Abhängigkeit von der Ätiologie der Wunde. Dabei soll das gesamte Wundmilieu einschließlich den in den chronischen Wunden befindlichen Mikroorganismen betrachtet werden.
Für diese Untersuchungen wird unter anderem in enger Kooperation mit dem Klinikum Karlsburg, Herz- und Diabeteszentrum Mecklenburg-Vorpommern zusammen gearbeitet.

Die Partner

• Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP Greifswald)
• Klinik und Poliklinik für Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie/ Plastische Operationen
  Universitätsmedizin Greifswald - Körperschaft des öffentlichen Rechts
• Klinikum Karlsburg – Herz- und Diabeteszentrum Mecklenburg-Vorpommern,
  Klinikgruppe Dr. Guth GmbH & Co.KG Hamburg

Kontakt

Prof. Dr. Klaus-Dieter Weltmann
Sprecher des ZIK plasmatis
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.
Felix-Hausdorff-Straße 2
17489 Greifswald
Tel.: 03834 554 310
E-Mail: weltmann[at]inp-greifswald.de
www.plasmatis.de

Dr. Sander Bekeschus
Nachwuchsgruppenleiter ZIK plasmatis "Plasma-Redox-Effekte"
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.
Felix-Hausdorff-Str. 2
17489 Greifswald
Tel.: 03834-554 3948
Email: plasmatis[at]inp-greifswald.de
www.plasmatis.de

Dr. Kristian Wende
Felix-Hausdorff-Str. 2
17489 Greifswald
Telefon: 03834 - 554 3923
E-mail: plasmatis[at]inp-greifswald.de
www.plasmatis.de

Dr. Kai Masur
Forschungsgruppenleiter "Plasma-Wundheilung"
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.
Felix-Hausdorff-Str. 2
17489 Greifswald
Tel.: 03834-554 3322
Email: plasmatis[at]inp-greifswald.de
www.plasmatis.de

Dr. Torsten Gerling
Forschungsgruppenleiter "Plasma-Quellenkonzepte"
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.
Felix-Hausdorff-Str. 2
17489 Greifswald
Tel.: 03834 5543852
Email: plasmatis[at]inp-greifswald.de
www.plasmatis.de

 

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