Plasma y tế là các ứng dụng trực tiếp của plasma lạnh áp suất thường (cold atmospheric plasma, CAP) vào cơ thể người với mục định chữa bệnh. CAP có hiệu quả ức chế một số lượng lớn các loại vi khuẩn bao gồm nhiều loại đã kháng thuốc kháng sinh và kích thích sự sinh sôi của các tế bào của động vật có vú. Ứng dụng lâm sàng đã đươc tiến hành trong lĩnh vực chữa lành vết thương và điều trị các bệnh nhiễm trùng da.

Plasma lạnh cho ứng dụng y tế

Một lĩnh vực ứng dụng lớn của plasma trước đây là phẫu thuật điện trong đó plasma nhiệt được sử dụng để đông máu và cắt mô. Ngược lại, plasma y tế tập trung chủ yếu vào các plasma nhiệt độ thấp (<40 ° C) để tránh tác động nhiệt lên cấu trúc sống. Thiết bị plasma lạnh áp suất thường cho ứng dụng y tế phải đáp ứng một số yêu cầu cụ thể: chúng phải đảm bảo hoạt động ổn định, đáng tin cậy ở nhiệt độ thấp với không khí môi trường ngoài. Bên cạnh việc hiểu rõ, toàn diện đặc trưng các thông số plasma một cách định tính và định lượng và đặc trưng “vĩ mô” tác dụng sinh học là điều kiện tiên quyết cho ứng dụng y tế hiệu quả và an toàn.

Trong mấy năm gần đây, ba loại thiết bị CAP chính được kiểm tra và bắt đầu áp dụng cho mục đích y tế.

Hình 1. Plasma phóng rào điện môi khối (a), Plasma phóng rào điện môi bề mặt (b) và Plasma jet (c).

Plasma phóng rào điện môi khối (DBD) được kích thích ở khe giữa điện cực điện thế cao cô lập và bia cần được xử lý, nghĩa là trong các ứng dụng y tế, mô tế bào của bệnh nhân (ví dụ vết thương) là một phần của cấu hình điện cực phóng điện. Trên bề mặt DBD, plasma được kích thích xung quanh cấu trúc điện cực được thiết kế riêng (ví dụ: dạng tròn hay dạng mạng lưới) cô lập với điện cực còn lại. Cả hai điện cực có thể đóng vai trò hoặc là điện cực thế cao hoặc thấp. Để điều trị mô tế bào sống, plasma phải được đưa lại sát vùng vết thương. Trong cấu hình DBD, không khí là loại khí được sử dụng.

Với thiết bị plasma jet, điện cực phát plasma thường nằm ở một ống mao dẫn hoặc một cấu trúc dạng ống, hầu hết trường hợp nằm trong một thiết bị giống chiếc bút. Cấu hình điện cực khác nhau có thể được sử dụng: điện cực dạng ống, điện cực dạng vòng tròn, điện cực dạng tấm,… Khí sử dụng sẽ đi qua ống. Plasma được kích thích trong thiết bị. Dòng tuôn ra được thổi cùng dòng khí và có thể được đưa vào tiếp xúc trực tiếp với vết thương cần chữa trị. Một số thiết bị plasma jet đang sử dụng khí trơ như He hay Ar, nhưng không khí hay hỗn hợp khí cũng có thể được sử dụng.

Với mọi loại nguyên lý phát plasma, plasma áp suất khí quyển có kích thước nhỏ, có thể nhỏ như sợi, được phát giữa khe nhỏ, thời gian sống ngắn.

Hoạt tính sinh học của plasma lạnh và nguyên lý tác động cơ bản: Nhìn chung, plasma lạnh là sự kết hợp giữa các thành phần hoạt tính bao gồm các hạt mang điện (ion hay điện tử), các hạt không mang điện bị kích thích chủ yếu từ khí được sử dụng, oxy và nitơ hoạt tính, ánh sáng nhìn thấy, bức xạ cực tím (UV), bức xạ hồng ngoại (IR) và các điện từ trường khác (xem hình 1). Phụ thuộc vào cấu hình của nguồn plasma, thành phần, mối quan hệ, và định lượng của các thành phần plasma có thể thay đổi đáng kể.

Dựa trên nhiều nghiên cứu, hai nguyên lý chính tạo nên hoạt tính sinh học của plasma được xác định là: i) các thay đổi cảm ứng do plasma tác dụng lên môi trường lỏng trong tế bào; ii) các thành phần ôxy và nitơ hoạt tính (Reactive oxygen and nitrogen species (ROS, RNS)) sinh ra trong pha lỏng khi điều trị plasma đóng vai trò chính trong hoạt động plasma sinh học.

Theo những hiểu biết hiện nay, thành phần UV của CAP có ảnh hưởng sinh học ít hoặc không trực tiếp.

Điện trường hay dòng điện đi qua tế bào sống phụ thuộc nhiều vào loại phóng điện và do đó có ảnh hưởng sinh học trực tiếp biến đổi. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về vài trò của các thành phần plasma trong ảnh hưởng sinh học trực tiếp.

Tuy nhiên, vai trò chủ đạo của ROS và RNS đã được xác định và chứng minh qua các thí nghiệm với các loại thiết bị plasma. ROS và RNS được tạo ra chủ yếu từ ôxy và nitơ trong không khí vốn là một phần trong khí được sử dụng, nhưng cũng có thể được cho thêm vào trong plasma trong trường hợp nguồn plasma khí trơ được sử dụng. Theo hiểu biết hiện nay, sự khác biệt về tác động sinh học giữa các nguồn plasma khác nhau chủ yếu là do khác biệt giữa lượng ROS và RNS. Tuy nhiên, vai trò của bức xạ UV hay điện trường cũng có thể là nguyên nhân.

Vai trò của ROS và RNS là rất quan trọng trong tác động sinh học của CAP. ROS và RNS thường xuất hiện trong các quá trình sinh học tế bào (ví dụ: Superoxide O2–, hydrogen peroxide H2O2, hydroxyl radical OH, singlet oxygen 1O2, nitric oxide NO, nitrogen dioxide NO2 và peroxynitrite ONOO–). Do đó, tế bào của động vật có vú có cơ chế bảo vệ để an toàn trước các yếu tố hoạt tính cao hơn mức sinh lý. Các yếu tố đó gọi là các áp lực (stress) ôxi hóa có thể có các tác động khôn lường, ví dụ gây biến đổi gen (genotoxic DNA changes). Tuy nhiên, các khảo sát chi tiết cho thấy hiệu ứng plasma trên tế bào nói chung hay cụ thể là trên DNA sẽ dẫn tới quá trình phục hồi tế bào. Thực nghiệm đã chứng minh việc sử dụng plasma lạnh áp suất khí quyển không làm tăng nguy cơ gây biến đổi gen.

Có ba loại hiệu ứng plasma sinh học đang được quan tâm cho các ứng dụng y tế: i) khả năng ức chế một số loại lớn các vi khuẩn bao gồm nhiều loại đã kháng thuốc; ii) khả năng kích thích sự phát triển tế bào và tái tạo mô; iii) khả năng ức chế tế bào của động vật có vú và đặc biệt các tế bào ung thư.

Ứng dụng y tế của CAP

Từ năm 2013, các nguồn CAP đầu tiên được CE cấp chứng chỉ thiết bị y tế. Một trong số đó là bút plasma jet lạnh áp suất khí quyển sử dụng khí argon (Đức) dựa trên các đặc trưng vật lý, sinh học, tiền lâm sàng và lâm sàng cùng hai thiết bị CAP y tế được nghiên cứu kỹ khác có cấu hình DBD khối sử dụng không khí của Anh và Đức.

Hình 2. Plasma lạnh điều trị mô tế bào sống.

Các thiết bị plasma này được chứng nhận cho điều trị vết thương mãn tính cũng như các bệnh nhiễm khuẩn da. Khái niệm điều trị vết thương sử dụng plasma nghĩa là kết hợp tác động diệt khuẩn của plasma với kích thích trực tiếp tái tạo mô (hình 2). Với các thiết bị này, các thử nghiệm y tế đã được tiến hành ở các bệnh viện. Việc điều trị các vết thương nhiễm trùng và mãn tính kinh niên cho thấy các kết quả khả quan trong khi các phương pháp chữa trị truyền thống đã bó tay. Theo các bác sỹ đã thử nghiệm plasma lạnh, kết quả ban đầu cho thấy 80% bệnh nhân được điều trị đã lành được vết thương (khép miệng vết thương hoàn toàn). Hơn nữa, các bác sỹ nhấn mạnh hiệu quả của CAP trong việc tiêu diệt các vi khuẩn đã kháng nhiều loại thuốc (ví dụ MRSA). Nhiều nghiên cứu cơ bản và tiền lâm sàng đang được tiến hành để áp dụng CAP trong điều trị ung thư trên cơ sở thực tế là CAP có thể ức chế các tế bào ung thư bằng cách cảm ứng: các tế bào ung thư có khả năng nhạy với CAP hơn là các tế bào lành tính.

Khả năng ứng dụng plasma trong nha khoa bao gồm khử trùng tủy răng, điều trị cấy răng, cải thiện độ bám dính tế bào xương. Ngoài ra, plasma y tế cũng được sử dụng trong nhãn khoa, tim mạch, bệnh phổi hay là thẩm mỹ và phẫu thuật.

Triển vọng và thách thức

Mặc dù các điều trị lâm sàng đầu tiên của thiết bị CAP đã được ghi nhận, các nhà nghiên cứu vẫn cần cải tiến và tối ưu công nghệ plasma trong y tế. Tồn tại các thách thức về vật lý, công nghệ và sinh học, y tế. Hai điều quan trọng cần phải lưu ý: i) sự tương thích của thiết bị plasma cho các ứng dụng y tế cụ thể với các điều kiện của cơ sở lắp đặt (địa điểm phòng, bệnh viện); ii) sự tương thích của thiết bị plasma để tạo ra các thành phần có hiệu ứng sinh học cụ thể và chọn lọc.

Một số vấn đề cần lưu ý cải tiến cho thiết bị plasma DBD và plasma jet khi điều trị diện rộng, thiết bị plasma ống cho các ứng dụng nội soi cũng như là của các thiết bị plasma để chiếu tới các vị trí nhỏ hẹp trong ứng dụng nha khoa.

(TS. Nguyễn Thị Yến Mai dịch từ © European Physical Society, EDP Sciences, 2016)