Plasma lạnh - áp dụng trong điều trị y sinh

Hoàng Trọng Sang

Với khả năng độc đáo có thể tạo ra hỗn hợp hóa học phức tạp và nhờ vào các đặc tính vật lý, plasma lạnh khí quyển có thể là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn trong điều trị da không xâm lấn.

Cấu tạo và chức năng của da

Da là cơ quan lớn nhất của cơ thể con người và đảm bảo một số chức năng riêng biệt do vị trí đặc biệt của nó, có mối liên hệ giữa bên ngoài và bên trong cơ thể. Lớp sừng hóa sừng này bao bọc toàn bộ cơ thể và bảo vệ nó khỏi các tác động từ môi trường và khỏi sự mất nước lớn. Mặc dù hàng rào vật lý chống lại sự chấn thương từ môi trường và mầm bệnh là vai trò chính của cơ quan này, nhưng da có một số chức năng khác như sản xuất vitamin D, độ ẩm, nhiệt độ và cảm nhận cơ học, điều chỉnh nhiệt độ, hấp thụ phân tử, bài tiết và một số chức năng miễn dịch. Theo quan điểm trên, việc chăm sóc hàng ngày cho da là cần thiết để bảo tồn tính toàn vẹn và các chức năng của nó. [1, 4]

plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-01-1651634358.jpg
Cấu tạo và chức năng của da

Điều trị da hiện đại bao gồm từ ứng dụng sản phẩm hóa học đến điều trị vật lý. Trong số các phương pháp điều trị, kem, huyết thanh và dầu thường được sử dụng làm phương pháp làm đẹp tại nhà trong khi phương pháp điều trị lột da thường do các chuyên gia làm đẹp chuyên nghiệp thực hiện. Các liệu pháp vật lý cũng được thực hiện tại các trung tâm thẩm mỹ mặc dù ngày nay một số thiết bị có thể được mua để sử dụng trong nước. Trong số đó, đèn LED và tia laser thường được sử dụng cho mục đích trẻ hóa. Các nguồn ánh sáng này kích thích quá trình tái sinh da bằng cách loại bỏ các lớp bên ngoài của da (tái tạo bề mặt) do đó kích hoạt quá trình trao đổi chất của tế bào da. Để trẻ hóa da sâu hơn, cần phải thực hiện các kỹ thuật xâm lấn và tốn kém hơn như phẫu thuật thẩm mỹ.

Việc duy trì sự toàn vẹn của da là rất quan trọng để đảm bảo hàng rào sinh lý chống lại các hợp chất ngoại sinh, vi sinh vật và mất nước nhưng cũng để thực hiện các mục đích xã hội và thẩm mỹ. Bên cạnh việc phát triển các hoạt chất mới nhằm đưa vào công thức, các công nghệ đổi mới dựa trên các nguyên tắc vật lý đã được đề xuất trong những năm qua.

Plasma lạnh khí quyển

Trong số đó, công nghệ plasma lạnh khí quyển (CAP), vốn đã cho thấy những kết quả thú vị trong da liễu, hiện đang được nghiên cứu về tiềm năng của nó trong việc chăm sóc và điều trị da.

Hiện nay, phương pháp tiếp cận hóa lý, dựa trên các khí ion hóa, đang tham gia vào các phương pháp điều trị da không phẫu thuật. Công nghệ này, được đặt tên là plasma lạnh khí quyển (CAP), đã được sử dụng trong da liễu để thúc đẩy quá trình chữa lành vết thương. Ngày nay, CAP đang thâm nhập vào lĩnh vực thẩm mỹ, do đó mang đến một thách thức mới. Do khả năng độc đáo của chúng để tạo ra một hỗn hợp hóa học phức tạp và nhờ vào các đặc tính vật lý của chúng, CAP có thể là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn trong điều trị da không xâm lấn.

Khả năng sản xuất plasma lạnh ở điều kiện áp suất khí quyển là cơ sở cho sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực ứng dụng liên quan đến plasma trong y sinh học. Plasma bao gồm vô số các thành phần hoạt động như các hạt tích điện, dòng điện, bức xạ UV và các loài khí phản ứng có thể hoạt động hiệp đồng. [1,7,8]

Các thử nghiệm chống ngứa, kháng khuẩn, chống viêm, kích thích mô, tăng cường dòng chảy máu và chết rụng tế bào đã được chứng minh trong các thí nghiệm in vivo và in vitro, và cho đến nay, không có sự kháng thuốc nào của mầm bệnh đối với việc xử lý plasma. Sự kết hợp của các hoạt chất khác nhau và phạm vi tác động tích cực rộng rãi của chúng đối với các bệnh khác nhau, đặc biệt là các bệnh ngoài da dễ tiếp cận, làm cho plasma trở nên khá hấp dẫn đối với các ứng dụng trong y học. Đối với các ứng dụng y tế, các loại phóng điện plasma lạnh khác nhau có vẻ phù hợp: tia plasma (plasma jet), phóng điện rào cản điện môi (DBD), phóng điện hồ quang trượt (GAD), vi sóng (MW). [1-8]

Y học plasma

Y học plasma nổi lên trong thập kỷ qua như một lĩnh vực nghiên cứu mới thú vị ở giao diện giữa vật lý và khoa học sự sống. Plasma vật lý có thể được tạo ra bằng cách thêm năng lượng (trường nhiệt hoặc trường điện từ) vào một chất khí trung hòa cho đến khi chất khí bị ion hóa trở nên ngày càng dẫn điện. Plasma phát ra bức xạ điện từ, chủ yếu là bức xạ UV và ánh sáng nhìn thấy, và chứa các phân tử khí bị kích thích, các ion tích điện dương và âm, các điện tử tự do, các loài oxy/nitơ phản ứng trung tính (ROS/RNS), các gốc tự do và các phân tử.

Do các đặc điểm khác biệt của nó so với các khí trung tính thông thường, plasma được coi là trạng thái thứ tư của vật chất (bên cạnh thể rắn, thể lỏng và thể khí). Trong y học hiện đại, plasma nhiệt độ cao được sử dụng, ví dụ, để khử trùng các thiết bị y tế và thiết bị cấy ghép. Tuy nhiên, việc tạo ra plasma lạnh áp suất khí quyển (CAP) vào năm 2005 đã trở thành dấu mốc quan trọng trong việc sử dụng để điều trị các mô sống và do đó đã trở thành trọng tâm của nghiên cứu y học trong những năm qua. Bên cạnh các ứng dụng điều trị, CAP cũng được sử dụng để khử trùng bề mặt và khử nhiễm sinh học. [1, 3, 4, 7, 8]

Cơ chế bất hoạt của plasma lạnh áp suất khí quyển (CAP)

Plasma lạnh áp suất khí quyển đang nổi lên như một sự phát triển thú vị cho phương pháp trị liệu. Các plasma này là nguồn cung cấp các loài oxy và nitơ phản ứng (RONS) mật độ cao, bức xạ UV, trường điện từ và các hạt tích điện rất hiệu quả. Các thành phần này riêng lẻ có liên quan đến các hệ thống sinh học và phương pháp xử lý. 
Dưới tác dụng của điện trường, các loài oxy phản ứng (ROS) và nitơ phản ứng (RNS), các phân tử đơn nguyên, ion oxy âm, ion OH, nguyên tử oxy tự do, H2O2 và các gốc tự do khác, các hạt bị kích thích, tia UV có tác động hiệp đồng và làm thủng và gây tổn thương nghiêm trọng đối với màng tế bào vi khuẩn (màng sinh học). [1, 8]

plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-02-1651634358.jpg
Các thành phần trong CAP chịu trách nhiệm trong bất hoạt vi khuẩn

Sử dụng plasma lạnh trong da liễu và điều trị các tổn thương mô vi khuẩn

Trước hết, các nghiên cứu tập trung vào chữa lành vết thương hở và vết thương mãn tính và nhiễm trùng/nhiễm vi sinh vật, các nghiên cứu trên động vật cũng như các thử nghiệm lâm sàng, đã chứng minh tác dụng kích thích rõ ràng đối với việc chữa lành vết thương không phụ thuộc vào thuốc sát trùng, điều trị CAP rất hữu ích để đẩy nhanh tốc độ liền vết thương ở giai đoạn đầu sau khi bị thương. Nhìn chung, sự kết hợp trực tiếp giữa sát trùng vết thương với tác dụng kích thích tái tạo mô là điểm mạnh và tính năng độc đáo của CAP so với các biện pháp chăm sóc vết thương thông thường và đã được thiết lập. [1, 3, 4, 8]

plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-03-1651634358.jpg
CAP có thể điều trị loét tiểu đường (trái) và điều trị Zona thần kinh (phải)
plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-05-1651634358.jpg
CAP có thể điều trị nhiễm trùng móng do nấm gây ra
plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-06-1651634358.jpg
Viêm loét vùng cẳng chân phải điều trị bằng CAP (MicroPlaSter β)

Sử dụng plasma lạnh trong thẩm mỹ

Cùng với các tác dụng dự phòng có thể xảy ra đối với nhiễm trùng vết thương, điều trị bằng CAP là một lựa chọn đầy hứa hẹn để hỗ trợ một số can thiệp trong lĩnh vực phẫu thuật tạo hình và y học thẩm mỹ. Ngoài việc chữa lành vết thương là ứng dụng CAP được nghiên cứu nhiều nhất trong bối cảnh lâm sàng, thiết bị plasma còn được sử dụng trong điều trị các bệnh da nhiễm trùng và viêm như bệnh Zona, chàm dị ứng, mụn trứng cá, bệnh nấm da chân và các bệnh khác. [1, 3, 4, 7, 8]

plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-78-1651634358.jpg
Điều trị mụn trứng cá (trái) và Eczema (phải) bằng CAP
plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-9-10-1651634358.jpg
Tái tạo bề mặt & trẻ hóa (trái) và căng da mặt không phẫu thuật bằng plasma lạnh (phải)

Sử dụng plasma lạnh trong điều trị ung thư

Các nghiên cứu sơ bộ về tác dụng sinh học của plasma nhiệt độ thấp trên các tế bào ung thư đa dạng cho thấy mức độ thành công vừa phải cho đến nay. Các khối u rắn, bao gồm u ác tính và u nguyên bào thần kinh ác tính, cũng như các bệnh về tế bào lympho đang được nghiên cứu về tác dụng điều trị có thể của plasma nhiệt độ thấp. Tác dụng chống ung thư của plasma thông qua apoptosis cũng được cho là do sự tạo ra của ROS/RNS, gây ra điều chế các phản ứng oxy hóa khử.

Trong những năm gần đây, lĩnh vực điều nghiên quan trọng nhất là ứng dụng plasma trong điều trị ung thư: điều trị bằng CAP đối với bệnh dày sừng hoạt hóa, tức là ung thư tế bào vảy tại chỗ của da, ung thư biểu mô tế bào vảy tiến triển ở đầu và cổ, điều trị các vết loét của khối u bị nhiễm trùng nhằm giảm tải lượng vi sinh vật và tạo ra mùi hôi đặc trưng. Hiện tại, trọng tâm trong nghiên cứu CAP nằm trong các ứng dụng plasma cụ thể để loại trừ ung thư hoặc ít nhất là giảm có chọn lọc các tế bào ung thư bằng cách tăng cường khả năng chết tế bào sinh miễn dịch (ICD). Điều này dựa trên sự bất hoạt hiệu quả của các dòng tế bào ung thư khác nhau bằng cách cảm ứng quá trình chết tế bào theo chương trình với bằng chứng thực nghiệm dự kiến về tính chọn lọc ít nhất một phần của CAP đối với tế bào ung thư so với tế bào không ung thư. [[1, 3, 4, 7, 8]

plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-11-1651634358.jpg
Tiềm năng ứng dụng CAP trong điều trị vết thương và ung thư
plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-12-1651634358.jpg
Nguồn CAP có kích thước siêu nhỏ để điều trị ung thư não và ung thư vú

Sử dụng plasma lạnh trong điều trị nha khoa

Plasma nhiệt độ thấp cũng có khả năng hòa tan hoặc loại bỏ màng sinh học thường thấy trên ống thông, thiết bị cấy ghép y tế và răng. Màng sinh học là sự kết tụ ba chiều của các vi sinh vật bám trên bề mặt, được phủ bằng các chất cao phân tử và chẳng hạn, có thể bảo vệ hiệu quả nấm men khỏi các ảnh hưởng tích cực từ môi trường hoặc hệ thống miễn dịch.

Điều trị chống lại các tác nhân chống nấm. Đặc biệt, màng sinh học là nguyên nhân của quá trình sâu răng (được tạo ra bởi cả vi khuẩn gram âm và gram dương) có thể bị loại bỏ trong vòng chưa đầy 20 giây và sự phát triển của vi khuẩn phù du trong màng sinh học có thể bị ức chế trong vòng 5 giây. Màng sinh học được loại bỏ khỏi bề mặt răng, ngăn chặn sự khởi đầu hoặc tiến triển của quá trình bệnh. Việc sử dụng CAP hoặc nước hoạt hóa plasma (PAW) để hỗ trợ vệ sinh răng miệng là hướng triển vọng.

Điều trị tẩy trắng răng và đã cho kết quả thành công. Điều trị bằng plasma tạo ra các gốc tự do dồi dào và theo đó được cho là tẩy trắng răng theo cách tương tự như hydro peroxide. Do đó, tẩy trắng răng là một trong nhiều tác động của việc sản xuất gốc tự do khi tiếp xúc với plasma.

Điều trị viêm nướu (gingivitis), viêm nha chu (periodontitis). Các đối tác của chúng tôi đã thử nghiệm phương pháp điều trị không xâm lấn bằng plasma lạnh đối với bệnh viêm nướu mãn tính. Sau buổi đầu tiên, chảy máu nướu răng đã ngừng chảy, các mô và lưu lượng máu khu vực trong các mô được bình thường hóa. Việc sử dụng plasma lạnh thay vì phẫu thuật đối với bệnh viêm nha chu tổng quát (viêm răng hàm mặt) cho thấy hiệu quả rất tốt. [8]

plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-1314-1651634358.jpg
Điều trị viêm nướu (trái) và điều trị viêm nha chu (phải) bằng CAP

Điều trị trám răng (filling). Khi sử dụng plasma lạnh, việc chuẩn bị ống nha khoa để trám răng mất không quá 30 giây. Bệnh nhân chỉ cảm thấy ớn lạnh nhẹ - và không đau. Tia plasma khử trùng bề mặt được xử lý, tiêu diệt tất cả vi khuẩn trong khoang sâu, đảm bảo vô trùng. Yếu tố quan trọng nhất trong việc sử dụng plasma lạnh có thể coi là sự thay đổi tính chất của mô răng, cải thiện độ bám dính với vật liệu trám. Việc sử dụng plasma lạnh trong vật liệu trám răng không chỉ làm tăng tuổi thọ của vật liệu trám răng mà còn cho phép lưu lại răng lâu hơn - vì sau nhiều lần trám răng, răng sẽ phải được loại bỏ.

Sử dụng plasma lạnh trong các điều trị khác

Ngoài những ứng dụng y sinh nói trên, CAP có có thể ứng dụng trong điều trị nội soi, điều trị các bệnh đường hô hấp, giảm lượng tải vi khuẩn trong khoang miệng, mũi, họng; điều trị loét giác mạc, thậm chí có thể ứng dụng trong diệt khuẩn, nấm, mụn giộp ở vùng kín cơ quan sinh dục phụ nữ.

Cho đến nay, trên thế giới đã có các thiết bị như sau: kINPen MED neoplas tools GmbH, Đức), PlasmaDerm (CINOGY Technologies GmbH, Đức), Adtec SteriPlas (Nhật Bản), Helios (Nga), BioWeld1 (Israel), PlasMed (VinIT, Việt Nam) là những sản phẩm y tế để điều trị các vết thương mãn tính ở người, thẩm mỹ và cho thấy hiệu quả và khả năng dung nạp tốt. [1, 7, 8]

plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-141516-1651634357.jpg
Từ trái sang: kINPen MED (Đức), PlasmaDerm (Đức), Adtec SteriPlas (Nhật Bản)
plasma-lanh-ap-dung-trong-dieu-tri-y-sinh-17-1651634358.jpg
Từ trái sang: Helios (Nga, BioWeld1 (Israel), PlasMed (VinIT)

Kết luận về khả năng ứng dụng plasma lạnh trong y sinh

1) Bệnh ngoài da

01 Điều trị mụn trứng cá, viêm loét mãn tính, viêm da, tăng tiết bã nhờn, dày sừng đốm, tổn thương nấm, u nhú, bệnh vẩy nến, bệnh mụn giộp (herpes);

2) Phẫu thuật

01 Khử trùng dụng cụ phẫu thuật;
02 Điều trị tổn thương da có mủ, khử trùng các vết thương, cầm máu;
03 Điều trị vết thương trong bằng phẫu thuật nội soi.

3) Nha khoa

01 Làm trắng răng;
02 Khử trùng khoang sâu răng;
03 Điều trị viêm quanh răng (nha chu), viêm lợi (nướu).

4) Thẩm mỹ

01 Xử lý nhăn và trẻ hóa da;
02 Khắc phục khuyết tật phẩm mỹ (vết sẹo, mụn trứng cá, phát ban, v.v...).

Ưu điểm của điều trị bằng plasma lạnh

Hiệu quả

01 Đẩy nhanh quá trình chữa lành vết thương so với điều trị kháng khuẩn và kháng nấm 2-3 lần;
02 Điều trị bằng plasma hiệu quả hơn nhiều so với kháng vi khuẩn;
03 Thúc đẩy cơ chế kích hoạt tái tạo và trẻ hóa da.

An toàn và thuận lợi

01 An toàn tuyệt đối với người;
02. Ảnh hưởng của plasma lạnh là hoàn toàn không gây đau đớn cho bệnh nhân;
03 Thời gian điều trị bằng plasma lạnh mất 2-10 phút;
04 Không gây ra bất kỳ tác dụng phụ từ việc sử dụng công nghệ plasma lạnh;
05 Vận hành đơn giản, chi phí thấp.

Tài liệu tham khảo

1.    Anton Nikiforov, Xiaolong Deng, Qing Xiong, U Cvelbar, N DeGeyter, R Morent and Christophe Leys, Non-thermal plasma technology for the development of antimicrobial surfaces: a review, Journal of Physics D Applied Physics 49 (20): 204002, 2016; 
2.    Bhawana Adhikari, Kamonporn Pangomm, Mayura Veerana1, Sarmistha Mitra and Gyungsoon Park, Plant Disease Control by Non-Thermal Atmospheric-Pressure Plasma, Plasma Bioscience Research Center, Kwangwoon University, Seoul, South Korea, 2020;
3.    Gerasimenko M.Yu., Zaitseva T.N., Evstigneeva I.S., Low-temperature plasma – a promising method of rehabilitation, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education «Russian Medical Academy of Post-Graduate Education» Russian, Ministry of Health, Moscow, Russia, 2019; 
4.    Giovanni Busco, Eric Robertb, Nadira Chettouh-Hammas, Jean-Michel Pouvesleb, Catherine Grillona, The emerging potential of cold atmospheric plasma in skin biology, Centre de Biophysique Molẻculaire, UPR4301, CNRS, 45071, Orleans, France, 2020;
5.    Mária Domonkos, Petra Tichá, Jan Trejbal and Pavel Demo, Applications of Cold Atmospheric Pressure Plasma Technology in Medicine, Agriculture and Food Industry, Department of Physics, Faculty of Civil Engineering, Czech Technical University in Prague, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, Czech Republic, 2021;
6.    Rosendo Pena Eguiluz, Régulo Lopez-Callejas, Erasmo Gonzalez-Arcinieg, Benjamin Gonzalo Rodríguez-Méndeza, Antonio Mercado-Cabreraa, Alberto Guakil-Haberb, Anuar Kuri García, Angelica Eloisa Espinosa Mancillab, Raúl Valencia-Alvarado, Non-thermal plasma wound healing after removal of a neck tumor in a patient with HIV: A case report, Plasma Physics Laboratory, Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, Carretera M´ exico-Toluca S/N, La Marquesa, 52750, Ocoyoacac, Mexico, 2022;
7.    Thoralf Bernhardt, Marie Luise Semmler, Mirijam Schäfer, Sander Bekeschus, Steffen Emmert, and Lars Boeckmann, Plasma Medicine: Applications of Cold Atmospheric Pressure Plasma in Dermatology, Clinic and Policlinic for Dermatology and Venereology, University Medical Center Rostock, Rostock 18057, Germany, 2019;
8.    Thomas von Woedtke, Steffen Emmert, Hans-Robert Metelmann, Stefan Rupf, and Klaus-Dieter Weltmann, Perspectives on cold atmospheric plasma (CAP) applications in medicine, Physics of Plasmas 27, 070601, Germany, 2020;

TS. Nguyễn Nghĩa, VinIT