Skóra jest największym narządem ludzkiego ciała i zapewnia kilka odrębnych funkcji ze względu na swoje szczególne położenie – połączenie z zewnętrznym otoczeniem i wewnętrznynmi strukturami ciała ciała.
Utrzymanie integralności skóry ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia fizjologicznej bariery przed związkami egzogennymi, mikroorganizmami i odwodnieniem, a także dla spełnienia celów estetycznych. Oprócz opracowywania nowych substancji czynnych przeznaczonych do leczenia i pielęgnacji, w ostatnich latach pojawiły się innowacyjne technologie oparte na zasadach fizycznych. Wśród nich technologia zimnej plazmy.
Jak powstaje plazma atmosferyczna
Gdy na elektrodzie aplikatora znajdującego się blisko skóry pojawi się wysokie napięcie, w powietrzu pomiędzy nimi powstaje silne pole elektryczne i wszystkie znajdujące się w nim elektrony swobodne szybko się rozpędzają. Pole elektryczne działa głównie na elektrony, bo są one znacznie lżejsze od cząsteczek (kilkadziesiąt tysięcy razy). Dzięki niemu elektrony osiągają dużą energię, odpowiadającą temperaturze tysięcy Kelwinów (1 – 10 eV). Gdy rozpędzony w gazie elektron zderzy się z cząsteczką azotu lub tlenu, dochodzi do jonizacji i powstają dwa elektrony oraz dodatni jon. Wraz z kolejnymi zderzeniami liczba elektronów rośnie lawinowo. Efektem jest powstanie plazmy – czyli mieszaniny bardzo szybkich elektronów, wolniejszych jonów i neutralnych cząsteczek. Co ważne: elektrony są gorące, a gaz jako całość pozostaje zimny (<40°C), ponieważ bo energia nie ma czasu się wyrównać. Gaz się nie nagrzewa, bo gdy elektron uderza w ciężką cząsteczkę, przekazuje tylko mały ułamek swojej energii (proporcjonalnie do stosunku mas). Nie ma więc równowagi termicznej w gazie i taki stan nazywamy zimną plazmą. Energia oddziaływania w takiej plazmie zużywana jest głównie w reakcjach chemicznych i do wzbudzania kolejnych cząsteczek.
Zimną plazmę utrzymuje się poprzez zasilanie układu odpowiednio krótkimi impulsami elektrycznymi. Jeśli jednak zwiększymy ilość energii dostarczanej do układu i zwiększymy liczbę zderzeń w gazie, energia elektronów zaczyna skutecznie ogrzewać cząsteczki dążąc do równowagi termicznej. Gaz staje się gorący i jego oddziaływanie zaczyna mieć charakter termiczny. Taki stan nazywamy gorącą plazmą.
W zimnej plazmie energię mają głównie elektrony i jej działanie jest chemiczne (nietermiczne).
W gorącej plazmie rozgrzany jest cały gaz i jej działanie jest termiczne.
Gazy szlachetne takie jak hel czy argon działają jako wzmacniacz jonizacji. W powietrzu bez gazu szlachetnego plazma tworzy się tylko dzięki elektronom, które powstają w procesie jonizacji azotu i tlenu. Wyładowanie w gazie szlachetnym powoduje wzbudzanie cząsteczek helu / argonu do stanów metastabilnych, a te mają umiejętność dodatkowej jonizacji cząsteczek tlenu oraz azotu i pojawia się więcej elektronów. Dzięki prostej budowie atomowej gazu szlachetnego (brak wiązań cząsteczkowych) znacznie łatwiej jest w nim kontrolować zapłon plazmy oraz utrzymać jej stabilny strumień. Przy tej samej mocy urządzenia i zastosowaniu gazu szlachetnego, uzyskuje się zatem więcej elektronów i bardziej energetyczną plazmę.
Charakterystyka zimnej plazmy atmosferycznej
Technologia zimnej plazmy atmosferycznej (CAP) jest obecnie badana pod kątem jej potencjału w leczeniu i pielęgnacji skóry.
Po zjonizowaniu gazu do plazmy, naładowane cząstki mogą reagować z materią, z którą wchodzą w kontakt. W przypadku CAP pierwszym napotkanym ośrodkiem jest powietrze atmosferyczne. Reagując z azotem i tlenem w powietrzu wytwarzają tzw. reaktywne formy tlenu i azotu (RONS).
CAP działa w temperaturze pokojowej, co czyni go szczególnie odpowiednim do zastosowań medycznych. Jego unikalne właściwości, w tym generowanie reaktywnych form tlenu i azotu (RONS) oraz promieniowania ultrafioletowego, przyczynia się do efektywnego leczenia wielu schorzeń skóry.
Badania wykazały, że CAP może skutecznie: eliminować bakterie, wirusy i grzyby oraz wspomaga regenerację tkanek i gojenie przewlekłych ran.
Penetracja i dyfuzja RONS w głąb warstw skóry
Proces rozpoczyna się od generowania RONS poprzez interakcję elektronów o wysokiej energii z cząsteczkami gazu. RONS, w tym cząsteczki takie jak OH, NO i H2O2, inicjują stres oksydacyjny i uruchamiają biologiczne szlaki sygnałowe, które są kluczowe dla gojenia się przewlekłych ran, działania przeciwdrobnoustrojowego i regeneracji tkanek.
Podczas zabiegu CAP, RONS mogą bezpośrednio wpływać na fizjologię komórek skóry lub pośredniczyć w aktywacji dalszych reakcji. Jednym z istotnych tematów w dermokosmetycznych terapiach plazmowych jest zdolność tych reaktywnych cząsteczek do penetracji i dyfuzji w głąb warstw skóry. Podczas gdy cząsteczki krótko żyjące szybko reagują i dezaktywują się w kontakcie z warstwą rogową, cząsteczki długo żyjące, takie jak H2O2, NO3, NO2, i NO•, mogą dyfundować głęboko. Wiedza o tym, jak te cząsteczki wnikają w głąb skóry podczas leczenia CAP, ma kluczowe znaczenie w planowaniu leczenia. O ile w terapiach dermatologicznych dopuszcza się głęboką penetrację tych cząsteczek, o tyle w czysto kosmetycznych zabiegach działanie RONS musi być powierzchowne i oddziaływać jedynie na naskórek.
Działając na skórę, CAP generuje szybkie, ale łagodne ciepło, które rozbija strukturę lipidową warstwy rogowej, zwiększając w ten sposób przepuszczalność skóry bez uszkadzania głębszych tkanek i poprawiając transdermalne wnikanie. Jednocześnie perforacja CAP sprzyja przenoszeniu NO wytworzonego na powierzchni skóry do tkanki podskórnej, co ostatecznie prowadzi do zwiększonego rozszerzenia naczyń krwionośnych, przepływu krwi i natlenienia tkanek.
Penetracja aktywnych cząstek z CAP do tkanek obejmuje penetrację poprzez wilgoć tkanek i bezpośrednią interakcję z tkankami skóry. RONS wytwarzane przez CAP muszą przejść przez trzy bariery, zanim dostaną się do komórek: osocze–płyn tkankowy, płyn–tkanka i tkanka–komórka.
Chociaż w literaturze przedstawiono wiele przykładów potencjalnej toksyczności plazmy wobec organizmów żywych, właściwie dobrane parametry ekspozycji prowadzą do korzystnych efektów biologicznych w tkankach poddanych jej działaniu.
Wpływ CAP na proliferację komórek
Proliferacja komórek skóry jest ważna dla odnowy naskórka i zapewnienia procesu gojenia w przypadku uszkodzeń skóry. Prawidłowo podawane leczenie CAP może stymulować te procesy. Wykazano, że krótkie zabiegi (1–3 min) strumieniem plazmy na bazie argonu zwiększają proliferację (rozrastanie) keratynocytów warstwy podstawnej. Natomiast w przypadku fibroblastów ich proliferację zwiększają bardzo krótkie zabiegi. Zabiegi trwające kilka minut wywierają efekt toksyczny. Większą wrażliwość fibroblastów na leczenie CAP w porównaniu z keratynocytami można wyjaśnić faktem, że komórki te znajdują się w głębokiej warstwie skóry. Będąc chronione w głębokiej skórze właściwej, fibroblasty są mniej przygotowane do znoszenia zewnętrznego stresu oksydacyjnego.
Wpływ CAP na natlenienie skóry
Wykazano, że CAP wpływają na zawartość tlenu w leczonym obszarze. Mechanizm, w jaki źródło plazmy zwiększa natlenienie skóry jest nadal niejasny. Natlenienie skóry wymaga starannej kontroli. Tlen ma podwójne oblicze, a jego nadmiar może generować stres oksydacyjny, przyspieszając proces starzenia.
Wpływ CAP na unaczynienie skóry i macierz zewnątrzkomórkową
RONS są regulatorami funkcji śródbłonka naczyniowego. Terapia CAP, w odpowiednich warunkach, działa stymulująco. NO• może zwiększać syntezę kolagenu IV i aktywować adhezję komórek śródbłonka. RONS generowane z plazmy zwiększa ekspresję śródbłonkowej syntazy tlenku azotu (eNOS). Wzrost enzymu produkującego endogenny NO•, wraz z czynnikami proangiogennymi, przyśpiesza proces gojenia. W ranach macierz zewnątrzkomórkowa (ECM) skóry właściwej jest bezpośrednio narażona na leczenie CAP, a poprawa procesu gojenia może zależeć od bezpośredniej modyfikacji właściwości ECM. Plazma indukuje wzrost neowaskularyzacji. Ponadto, dobrze zorganizowana ECM jest również niezbędna do utrzymania młodzieńczego wyglądu skóry. W przeciwieństwie do ran, w nieuszkodzonej skórze CAP nie może bezpośrednio wpływać na metabolizm macierzy zewnątrzkomórkowej. CAP jest w stanie stymulować fizjologiczną kolagenozę, jednocześnie hamując patologiczną syntezę białka. Badania in vitro i in vivo wykazały ten selektywny efekt w zaburzeniach dermoestetycznych, takich jak blizny i bliznowce.
Modyfikacja pH wywołana przez CAP
Oprócz działania stymulującego/utleniającego, wykazano, że RONS generowane przez CAP indukują zakwaszenie leczonego obszaru. Spadek pH można przypisać głównie kwaśnym gatunkom pochodzącym z prekursora NO•, który generuje kwasy azotowe (HNO3) i azotawe (HNO2) w roztworze. Wywołane zakwaszenie jest proporcjonalne do czasu ekspozycji plazmy. Wykazano, że pH zasadowych lub obojętnych, niebuforowanych mediów spada gwałtownie po kilku minutach obróbki CAP. Szybki spadek pH ma tendencję do stabilizacji przy wartościach pH pomiędzy 3,5 a 2,5 dzięki przejściowemu tworzeniu buforu HONO/ONO- i generowaniu kwasu azotawego (pKa 3,3). W świetle powyższego, ekspozycja na CAP może obniżyć pH tkanek biologicznych.
W przypadku ran skóry wykazano, że fizjologiczne zakwaszenie zwiększa aktywność proteaz i stymuluje proliferację fibroblastów.
Wspomniany wcześniej kwaśny płaszcz kontroluje równowagę symbiotyczną między skórą a mikroorganizmami, hamując wzrost organizmów patogennych i promując proliferację bakterii komensalnych na skórze. Niskie pH jest niekorzystne dla wzrostu wielu patogenów, a omówione już zakwaszenie wywołane przez CAP wzmacnia aktywność przeciwdrobnoustrojową.
Poniżej przedstawiono kolejność etapów gojenia ran i efekty leczenia plazmą gazową.
Wpływ CAP na przezskórne dostarczanie leków
Wyrożnia się dwa przezskórne działania CAP na dostarczanie lekow: dostarczanie do osocza (plazmaporacja) i penetracji do tkanek. Pole elektryczne CAP powoduje rozpad warstwy rogowej naskórka, naturalnej bariery skóry, co pozwala składnikom aktywnym i RONS dotrzeć do głębszych warstw skóry. Proces ten zwiększa przepuszczalność skóry, co z kolei wspomaga transport leków i cząsteczek bioaktywnych, a jednocześnie nie prowadzi do zniszczenia tkanek leżących głębiej. Plazmaporacja jest kluczowym mechanizmem skuteczności zimnej plazmy atmosferycznej w zastosowaniach dermatologicznych.
Wpływ CAP na dekontaminację bakteryjną i dezynfekcję skóry
Zimne plazmy atmosferyczne posiadają dobrze znaną aktywność bakteriobójczą. Efekt biobójczy powstaje poprzez połączenie H2O2 i NO2. Te dwie cząsteczki same w sobie mają bardzo słabą aktywność przeciwbakteryjną, a reagując razem, mogą tworzyć nadtlenoazotyn (ONOO-). Kolejnym czynnikiem przyczyniającym się do efektu biobójczego indukowanego przez plazmę w grupie reaktywnych form tlenu jest O3.
Podczas gdy bakterie bezpośrednio wystawione na działanie plazmy mogą zostać dość łatwo zabite przez atak chemiczny krótko- i długowiecznych RONS, w rzeczywistości większość tych mikroorganizmów jest chroniona przez biofilmy. W bezpośrednim leczeniu CAP biofilmy są nie tylko narażone na działanie wysoce reaktywnych gatunków, ale także na intensywne pole elektryczne, które może destabilizować strukturę fizykochemiczną mikroorganizmów.
Wspomniany wcześniej kwaśny płaszcz kontroluje równowagę symbiotyczną między skórą, a mikroorganizmami, hamując wzrost organizmów patogennych i promując proliferację bakterii komensalnych na skórze. Niskie pH jest niekorzystne dla wzrostu wielu patogenów, a omówione już zakwaszenie wywołane przez CAP wzmacnia aktywność przeciwdrobnoustrojową.
Poniżej przedstawiono kolejność etapów gojenia ran i efekty leczenia plazmą gazową. Długość faz nie jest proporcjonalna.
Wpływ CAP na przezskórne dostarczanie leków
Wyróżnia się dwa przezskórne działania CAP na dostarczanie lekow: dostarczanie do osocza (plazmaporacja) i penetracji do tkanek. Pole elektryczne CAP powoduje rozpad warstwy rogowej naskórka, naturalnej bariery skóry, co pozwala składnikom aktywnym i RONS dotrzeć do głębszych warstw skóry. Proces ten zwiększa przepuszczalność skóry, co z kolei wspomaga transport leków i cząsteczek bioaktywnych, a jednocześnie nie prowadzi do zniszczenia tkanek leżących głębiej. Plazmaporacja jest kluczowym mechanizmem skuteczności zimnej plazmy atmosferycznej w zastosowaniach dermatologicznych.
Medycyna estetyczna
W medycynie estetycznej wykonuje się zabiegi zimną i gorącą plazmą. Przy odpowiednim napięciu i większej częstotliwości impulsów, plazma może osiągać temperatury przekraczające 60°C. Stosuje się ją głównie w zabiegach dermabrazji skóry oraz usuwaniu drobnych zmian skórnych.
W przypadku zimnej plazmy wykorzystuje się przedstawione powyżej działania CAP na skórę:
- przeciwbakteryjne
- przeciwzapalne, redukcja rumienia (leczenie trądziku różowatego, egzemy, trądziku pospolitego, łuszczycy, atopowego zapalenia skóry)
- odmładzające poprzez stymulację fibroblastów
- redukcja przebarwień
- poprawa penetracji składników aktywnych do głębszych warstw skóry (niacynamid, kwas azalainowy, witamina C, kwas traneksamowy, kwas hialuronowy, czynniki wzrostu)
- spowolnienie łysienia
- przyspieszenie regeneracji po zabiegach laserowych i mikroigłowych
Podobnie jak w przypadku laserów, zabiegi z wykorzystaniem gorącej plazmy polegają na odnowie skóry poprzez kontrolowane uszkodzenie jej zewnętrznych warstw (sublimacja naskórka). I chociaż dermabrazja plazmowa jest zabiegiem mało inwazyjnym, to wysoka temperatura i długi okres rekonwalescencji wymuszają ostrożne stosowanie tej metody. Proces gojenia jest podobny do metody laserowej – analogicznie 24-48 godzin po zabiegu tworzą się strupki, które odpadają samoistnie po 5-7 dniach.
Podsumowanie
Medycyna plazmowa oparta na plazmie w zimnej atmosferze poszerza różnorodność swoich specjalizacji. Jako rozwijająca się gałąź, dermatologia osocza wykorzystuje korzystną złożoność składników plazmy (np. reaktywne składniki tlenu i azotu, fotony UV oraz emisję elektromagnetyczną), różnorodność techniczną oraz ergonomię urządzeń (np. urządzenie kompaktowe i przyjazne dla klinicystów). Wiele parametrów fizycznych zaangażowanych w zimną plazmę może indywidualnie lub łącznie wpływać na mikrośrodowisko i aktywność komórek skóry. Połączenie wszystkich tych efektów wskazuje na korzystną rolę CAP w biologii skóry i dostarcza istotnych argumentów przemawiających za zastosowaniem zimnej plazmy do przywracania funkcjonalnej bariery skórnej, a tym samym poprawy jej zdrowia i wyglądu. Dermatologiczne zastosowania CAP można sklasyfikować według typów docelowych chorób skóry, w tym gojenia przewlekłych ran, zapalnych chorób skóry, chorób zakaźnych, infestacji pasożytów, nowotworów skóry, genetycznych chorób skóry oraz łysienia.
Jednak z technicznej strony, charakterystyka generowanej plazmy w dużym stopniu zależy od parametrów urządzenia (napięcie i częstotliwość impulsów), użytego gazu (powietrze, azot, argon, hel) oraz warunków środowiskowych otoczenia (temperatura, wilgotność). Różne urządzenia generują różną ilość i różne rodzaje powstających w polu elektrycznym wolnych rodników, a wraz z nimi znacząco zmienia się uzyskiwany w tkance efekt. Wiele zdarzeń zachodzących w procesie leczenia jest zależnych od czasu działania plazmy gazowej. To dlatego, by uzyskać pożądany efekt, istotne jest zrozumienie jak plazma oddziałuje ze skórą i jak działa dane urządzenie pochodzące od konkretnego producenta.
