Kaltes Plasma tötet Keime und schließt offene Beine
Foto: Städt. Klinikum München / Ekkehard Winkler
Diese Dritten passen Stefan Meyer wie angegossen. Form und Farbe lassen keinen Unterschied zu ihren Vorgängern erkennen. Kein Wunder. Das Dental-Team des Plasmamedizinischen Zentrums hat die Zähne aus pluripotenten Stammzellen gezüchtet, die einer operativ entfernten Kieferzyste des Patienten entnommen sind. Als Wachstumsbeschleuniger für den natürlichen Zahnersatz diente kaltes Atmosphärendruck-Plasma. Mit selbigem bearbeiten die Kollegen der Onkologie zwei Stockwerke höher gerade den bösartigen Zungenboden-Tumor eines anderen Patienten. Unter dem Einfluss des ionisierten Gases richten die Tumorzellen ihr zerstörerisches Werk gegen sich selbst. Es setzt die sogenannte Apoptose in Gang: das kontrollierte Absterben.
Kaltes Plasma aus dem All
Neben fest, flüssig und gasförmig gilt Plasma als vierter Aggregatzustand. Die Sonne, Blitze und Flammen sind ganz oder teilweise im Plasmazustand. Plasma ist ionisiertes Gas. Wahlweise durch Wärme- oder Stromzufuhr haben sich aus den Atomen oder Molekülen des Gases Elektronen gelöst. In Plasmen wimmelt es von positiv geladenen Ionen und negativen Elektronen – also freien Ladungsträgern. Dadurch sind die ionisierten Gase hoch reaktiv und elektrisch leitend.
-Plasmen werden in der Industrie zum Beschichten, Abtragen oder Aktivieren von Oberflächen genutzt. U.a. auch zur Vorbereitung von Implantaten. Zudem sind Plasmen bereits zur Sterilisierung von Oberflächen im Einsatz. Beide Anwendungen basieren bisher auf Niederdruckplasmen, die in Vakuumprozessen unter hoher Spannung erzeugt werden.
-Kalte Atmosphärendruck-Plasmen (< 40 °C) werden vor allem aus technischen Leichtgasen erzeugt. Den Schlüssel dazu fand Prof. Gregor Morfill vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching 1993 im All. In den Saturnringen stieß er auf staubige Plasmastrukturen, die ihn an Kristalle erinnerten. Im Labor konnte er solche Plasmakristalle nachbilden. Weitere Experimente an Bord der ISS belegten seine Theorien.
-Am Boden führte Morfills Entdeckung zur Entwicklung von Plasmaquellen, die kalte Plasmen bei atmosphärischem Druck erzeugen. Inzwischen gibt es erste zugelassene medizinische Plasmageräte. Darunter der am INP Greifswald entwickelte Atmosphärendruck-Plasmajet „kINPen“. In seinem Innern durchströmt Argon eine Kapillare aus Quarz oder Keramik. Im Röhrchen sitzt eine nadelförmige Elektrode, an der eine hochfrequente Wechselspannung anliegt. Hier lädt sich das Edelgas zu Plasma auf, welches durch nachströmendes Gas nach außen geschoben wird. Der Kontakt mit der Umgebungsluft führt dazu, dass auch deren Sauerstoff-, Stickstoff- und Kohlenstoff-Moleküle angeregt werden und hoch reaktive Radikale bilden.
-Das kalte Plasma tötet Bakterien, Pilze und anderer Mikroorganismen ab und fördert vermutlich über kurzzeitigen oxidativen Stress die körpereigenen Wundheilungsmechanismen. pt
Noch ist die beschriebene Szenerie pure Vision. Weder gibt es Plasmamedizinische Zentren noch in Plasma gezüchtete Zähne oder eine Krebstherapie mit ionisierten Gasen. Doch Prof. Hans-Robert Metelmann kann sich eine solche Zukunft in zwei bis drei Jahrzehnten vorstellen. Als Direktor der Klinik und Poliklinik für Mund-Kiefer-Gesichts-Chirurgie und Plastische Operationen der Universitätsmedizin Greifswald arbeitet er eng mit Forschern des benachbarten Leibniz-Instituts für Plasmaforschung und Technologie (INP) zusammen. Seit Juni ist er zudem Gründungsvorsitzender des „Nationalen Zentrums Plasmamedizin“.
Das Nationale Zentrum soll die Forschung der noch jungen medizinischen Disziplin koordinieren. Deutschland gilt als führend. Doch auch hier arbeiten bisher erst fünf Gruppen mit schätzungsweise 100 Wissenschaftlern daran, die Grundlagen für den Einsatz kalter Plasmen in Kliniken und Arztpraxen zu erarbeiten.
„Noch müssen wir in medizinischen Kreisen erklären, dass es sich bei Plasma nicht um Blutplasma handelt, sondern um angeregtes Gas“, berichtet Metelmann. Erst seit den frühen 1990er-Jahren ist es möglich, kaltes Plasma bei Atmosphärendruck zu erzeugen. Das Wissen schreitet schnell voran. Erste Geräte sind im Markt. Oft nutzen sie Edelgase wie Argon oder Helium. Diese werden durch starke elektrische Felder geschickt, wobei sich Elektronen aus den Gasmolekülen lösen und die gewünschte Ionisation der Atome einsetzt.
„Dieser Prozess ist mittlerweile sicher reproduzierbar – und zwar mit unterschiedlichen technischen Gasen oder mit herkömmlicher Luft“, sagt Prof. Thomas von Woedtke, der am INP Greifswald die plasmamedizinischen Forschungen leitet. Technische Gase hätten den Vorteil, klar definierter Prozessparameter. Und gerade bei Leichtgasen sei der Energieaufwand geringer. Das INP war maßgeblich an der Entwicklung eines bereits zugelassenen und vermarkteten Geräts beteiligt, das die Ionisation mit Strom aus Haushaltssteckdosen bewerkstelligt.
Medizinisch interessant werden die Plasmen durch ihre stark erhöhte Reaktivität. In Verbindung mit Luft bilden sich Radikale von Sauerstoff und Stickstoff, die sowohl auf Bakterien und andere Mikroorganismen als auch auf Körperzellen wirken. Noch sind die genauen Wirkzusammenhänge nicht im Detail geklärt. Doch die Forscher an den Instituten in Greifswald, Göttingen, München, Bochum und Berlin sind dabei, sie zu beobachten, zu systematisieren und dabei nach und nach zu entschlüsseln.
Klar ist schon heute, dass Bakterien und Pilze den leuchtenden Plasmen nicht gewachsen sind. Selbst multiresistente Keime werden zuverlässig abgetötet. Es gibt bisher keinerlei Hinweis darauf, dass sie in der Lage sind, Resistenzen gegen den Angriff der hochreaktiven Gase zu bilden. Die Plasmamediziner vermuten, dass die Radikale sowohl an den Zellwänden der Mikroorgansimen angreifen als auch deren Stoffwechsel auf enzymatischer Ebene ein Ende setzen.
„Von dieser Beobachtung in Petrischalen ausgehend, kamen wir auf den Gedanken, die aseptischen Effekte auch auf lebenden Oberflächen zu untersuchen“, berichtet von Woedtke. Behandlungen entzündeter Wunden bei Tieren verliefen vielversprechend. Es folgten drei getrennte Studien an Menschen. Dabei wurden Patienten mit offenen Beinen, also chronischen, oft bakteriell verunreinigten offenen Wunden mit Plasma behandelt. Die Wunden heilten. „Neben dem antibakteriellen Effekt haben die drei Studien einen sehr positiven Einfluss auf die Wundheilung gezeigt“, so der Experte.
Die Wissenschaftler vermuten, dass sich hier einerseits die bekanntermaßen positive Wirkung von kurzzeitigem oxidativem Stress bemerkbar gemacht hat. „Dieser wirkt stimulierend auf die Neubildung von Gewebe“, erläutert von Woedtke. Zum anderen sei bekannt, dass der Körper selbst bei der Wundheilung hochreaktive Substanzen bilde. Die Zufuhr der Sauerstoff- und Stickstoff-Radikale im Plasma scheine lokal diesen körpereigenen Reparaturmechanismus anzuregen und zu verstärken.
„Die Wundheilung ist keine Vision mehr“, sagt der INP-Forscher. Allerdings gelte es nun, in systematischen, multizentrischen Klinikversuchen nachzuweisen, dass dieser Behandlungsansatz nicht einer von vielen ist, sondern die Plasmamedizin tatsächlich eine neue Qualität in der Behandlung offener Wunden eröffne. Von Woedtke sieht die junge Disziplin in jenem Stadium, in dem die Lasermedizin vor 20 Jahren steckte. Den Pionieren schlug viel Skepsis entgegen. Erst nachdem sie die Wirksamkeit der Laser in Ärztehand systematisch belegt hatten, reifte die Technik zum anerkannten Werkzeug im Klinikalltag.
„Plasmamedizin hat das Potenzial, einen ähnlich erfolgreichen Weg einzuschlagen“, sagt Metelmann. Darin ist er sich mit von Woedtke und den Kollegen aus den anderen Forschergruppen einig. Allesamt haben sie sich dem Nationalen Zentrum Plasmamedizin ohne zu Zögern angeschlossen, um die Forschung mit gebündelten Kräften voran-zutreiben.
Denn es wartet noch jede Menge Arbeit auf die Forscher. Noch stehen sie am Anfang, was das Wissen um die Wechselwirkung zwischen Zellen und Plasmen betrifft. Viele Erkenntnisse haben sie in Labors gesammelt. Der Nachweis, dass sich die Resultate ohne Nebenwirkungen in Geweben reproduzieren lassen, die in lebende Organismen eingebunden sind, steht in den meisten Fällen noch aus. Etwa die Frage, inwieweit die biologisch wirksamen Plasmen auf das Erbgut von Zellen einwirken. „Bisherige Versuche zeigen keinerlei Hinweise auf Mutagenität“, erklärt Metelmann. Im Gegenteil. Während gesunde Gewebe unter dem Einfluss der aufgeladenen Gase beschleunigt wachsen und dabei der regulären Programmierung in ihren Erbinformationen folgen, reagieren Krebszellen im Laborversuch völlig anders.
„Es ist, als würden wir einen Schalter umlegen, der Tumorzellen zum geordneten Rückzug zwingt“, berichtet Metelmann. Er spricht von Apoptose, dem „Selbstmord-Programm“, das Zellen absterben lässt. Der Köpfer ersetzt sie dann durch harmloses Bindegewebe.
Metelmann behandelt als Mund-Kiefer-Gesichts-Chirurg viele Krebspatienten, denen fürchterliche Tumore das Gesicht zerstören. „Wir stoßen bei ihnen mit aller Kunst der plastischen Chirurgie an Grenzen“, sagt er. Die Vision, ihren Krebs in Zukunft nicht mehr mit chirurgischen Eingriffen, Bestrahlung und Chemotherapie bekämpfen zu müssen, sondern die Tumore zur Selbstzerstörung zu zwingen, treibe ihn an. Er kann sich auch vorstellen, dass die positive Wirkung auf das Wachstum gesunder Zellen in Zukunft helfen wird, Gewebe oder eben Zähne nachzuzüchten.
Allerdings ist es ihm wichtig, die Erwartungen zu bremsen. „Wir stehen noch ganz am Anfang der Forschung und es ist keineswegs gesagt, dass sich unsere aktuell sehr positiven Verdachtsmomente bestätigen“, stellt er klar. Für heutige Krebspatienten könne die Plasmamedizin noch nichts tun, auch wenn es bereits erste zugelassene Geräte gebe und sich ein Graumarkt mit oft dubiosen Plasmageräten bilde. „Ich weiß, in welch einer existenziellen Krise sich Krebspatienten befinden. Ich kann ihnen nur empfehlen, sich den etablierten Standardtherapien zu unterziehen“, sagt er. Denn eine klinische Anwendung der Plasmamedizin in der Onkologie sei in weiter Ferne. Bisher sei das reine Grundlagenforschung. „Wir müssen die Wirksamkeit auf Zellebene genauer verstehen und herausfinden, welche Plasmen aus welchen Gasen bei welchen Anwendungsparametern wie wirken“, stellt der Mediziner klar. Es gebe Fragen über Fragen, denen bisher ein noch überschaubarer Kreis von Forschern gegenüberstehe.
Bis Stefan Meyer sich mit seinen natürlichen Dritten im Spiegel anschauen kann, und Onkologen Tumore abschalten, werden nach Metelmanns Einschätzung sicher noch drei Jahrzehnte vergehen. „Wenn das Mal reicht“, ergänzt von Woedtke. Allerdings sind beide zuversichtlich, dass die Plasmamedizin den klinischen Durchbruch schaffen wird. „In 20 Jahren wird sie eine vergleichbare Rolle spielen, wie die Lasermedizin heute“, glaubt v. Woedtke. Die Bekämpfung von Klinikkeimen und Hautkrankheiten mit dem kalten Plasma werde ebenso wie die Behandlung chronischer Wunden schon viel früher kommen. „Da sprechen wir von einer sehr nahen Zukunftswelt“, sagt er.
PETER TRECHOW
