大气压冷等离子体在皮肤科的直接与间接应用.pdf

http:/专家笔谈Aug.2023,Vol.40,No.4Dermatology Bulletin390皮肤科学通报2023年8 月第40 卷第4期大气压冷等离子体在皮肤科的直接与间接应用李喜伟,张颂,魏苏,陈宏翔1,2摘要大气压冷等离子体作为一种适用于生物治疗的技术，在医学上有着丰富而广泛的应用，包括医疗器械灭菌、口腔、肿瘤及皮肤疾病等领域。大气压冷等离子体的应用有直接和间接两种形式，二者相辅相成。大气压冷等离子体是一种很有前途的皮肤病治疗技术，但仍需要进一步的探索和研究。我们总结了大气压冷等离子体在皮肤科中的直接和间接应用并展望，为等离子体医学的发展方向提供参考。关键词大气压冷等离子体；应用；皮肤科；等离子体活化液中图分类号R 751.05文献标识码A文章编号2096-4382(2023)04-0390-10Direct and Indirect Applications of Cold AtmosphericPlasma in DermatologyLI Xiweil,ZHANG Song,WEI Fen,CHEN Hongxiang1,2(1.Department of Dermatology,Union Hospital,Tongji Medical College,Huazhong University ofScience and Technology,Wuhan 430022,China;2.Department of Dermatology,Shenzhen Hospi-tal of Union Huazhong University of Science and Technology,Shenzhen 518000,China)Corresponding authorCHEN Hongxiang,E-mail:hongxiangchen Abstract As a technology suitable for biological treatment,cold atmospheric plasma haswidespread use in medicine,including medical device sterilization,dentistry,oncology,and dermatology.The applications of cold atmospheric plasma have bothdirect and indirect forms(plasma-activated liquids),which are complementary toeach other.Cold atmospheric plasma is a promising dermatological treatmenttechnique,and further exploration and research are still needed.The direct and作者单位1.华中科技大学同济医学院附属协和医院皮肤科，武汉湖北430 0 2 2；2.华中科技大学协和深圳医院皮肤科，广东深圳518 0 0 0通信作者陈宏翔,E-mail:http:/391.皮肤科学通报2 0 2 3年8 月第40 卷第4期indirect applications and prospects of cold atmospheric plasma in dermatology aresummarized to provide a reference for the development of plasma medicine.Key wordsCold atmospheric plasma;Application;Dermatology;Plasma activated liquids1前言1.1等离子体和等离子体医学等离子体（plasma）是气体在加热或强电磁场作用下电离而产生的气体云，由电子、离子、亚稳态物质、紫外线、可见光、电磁场和活性物质等组成131，因其内部正、负电荷总数相等而被称为等离子体，是继固体、液体和气体外，物质存在的第四态。根据气体温度的不同，通过不同手段产生的等离子体可以分为热等离子体（气体温度10 0 0 0 K左右）、温等离子体（气体温度30 0 0 50 0 0 K）和冷等离子体（气体温度接近室温）。按照等离子体所处状态区分，等离子体又可分为平衡等离子体和非平衡等离子体：平衡等离子体是指在高气压下，电子温度与气体温度基本相等；非平衡等离子体是指在大气压条件下，电子温度远大于气体温度，总体呈现出来的温度约为常温，可以为人体所耐受。因为高温会对生物体造成热损伤，因此大气压条件下产生的冷等离子体适用于医学应用4，称为大气压冷等离子体（coldatmospheric plasma,CAP)。尽管等离子体中产生了各种各样的成分，但是活性氮氧化物普遍被认为是其中的关键活性物质5-9。等离子体主要有以下三个方面的生物学效应：对微生物包括多重耐药菌的广谱杀灭作用低剂量等离子体治疗可刺激细胞增殖和组织再生；高剂量可诱导细胞程序性死亡（凋亡）4。20世纪开始学者将等离子体应用于杀灭细菌，众多将大气压冷等离子体与医学相结合的研究如雨后春笋般涌现出来。由此，等离子体医学应运而生。目前，等离子体医学已经在医疗器械消毒、牙科、肿瘤科、皮肤科等领域得到广泛应用和探索。1.2直接和间接等离子体大气压冷等离子体在医学的应用形式可分为直接和间接两种形式。直接应用主要包括介质阻挡放电（dielectric barrierdischarge，D BD）和大气压等离子体射流（atmospheric pressure plasma jet，A PPJ）两类设备10 。间接应用等离子体主要通过等离子体活化液（plasma-activated liquids,PAL）发挥作用。等离子体活化液来源于等离子体与液面的相互作用，主要包括等离子体活化水（plasma-activatedwater，PAW）、等离子体活化培养基（plasma-activatedmedia,PAM）、等离子体活化溶液（plasma-activatedsolution，PA S）、等离子体活化油（plasma-activatedoil，PA O）、等离子体活化水凝胶（plasma-activatedhydrogel,PAH)等。即使在水中不加任何其他化学物质，气态等离子体与水也会产生独特的化学反应和能量转移，然后产生具有显著瞬态广谱生物活性的产物，称为等离子活化水(（PAW），见图1。DBDAPPJothersColdatmosphericplasmaPAWPASPAMPAOPAHothers注：DBD介质阻挡放电（dielectricblockingdischarge）；A P-PJ,大气压等离子体射流（atmospheric pressure plasma jet）；PAW，等离子体活化水（plasmaactivatedwater）；PA S，等离子体活化溶液（plasmaactivated solution）；PA M，等离子体活化培养基（plasmaactivated media）；PA O，等离子体活化油（p l a s ma a c t i v a t e d o i l）；PA H，等离子体活化培养基（plasmaactivated hydrogel)。图1大大气压冷等离子体的直接和间接应用形式活性氧（reactive oxygen species，R O S）12 和活性氮（reactive nitrogen species，R NS）13 被报道在大气压冷等离子体的皮肤科应用中起着关键作用。等离子体与液体的相互作用可能会在气液界面产生许多直接反应,并在水中产生间接级联反应，产生含有高活性物种混合物的等离子体活化液。活性氮氧化物（RONS)可以进一步粗略地分为长寿命和短寿命两种。羟基自由基（OH）、单线态氧（O，）和超氧阴离子（O，）是短寿命物种的例子，它们的寿命从几秒到几分钟不等14。相反，过氧化氢（H,O,）、亚硝酸盐（NO,）、硝酸盐（NO，）、亚硝酸（H NO，）和臭氧（O）属于长寿命15)。当大气压冷等离子体间接作用时，在液相中发现的大多数http:/392.皮肤科学通报2 0 2 3年8 月第40 卷第4期RONS都是长寿的16 。IPALs中存在的反应性物种的类型和浓度受等离子体设备、工作气体和所用液体的影响很大17 。由于等离子体活化液中也有活性成分RONS的产生，因此等离子体活化液也可用于生物医学领域代18-19O1.3间接等离子体的优势等离子体活化液的发明使得等离子体的应用不再受等离子体源的大小、条件和高电压的限制，允许生产大面积均匀的等离子体，大大减少了临床实践中的操作难度，节省了治疗时间,与直接应用相比，提高了便携性、安全性、作用范围甚至作用深度。值得注意的是，等离子体活化水凝胶显示出可以持续释放RONS 的能力2 0 O2大气压冷等离子体在皮肤科的应用2.1感染性皮肤病由于RONS具有卓越的氧化能力，大气压冷等离子体对感染性疾病有独特的优势。大量研究表明，大气压冷等离子体和等离子体活化液具有良好的抗菌性，可以有效地灭活各种微生物，如细菌、真菌、病毒、寄生虫等。与抗生素相比,大气压冷等离子体具有明显的优势，如难以引起耐药性和几乎无毒。2.1.1细菌在体外和体内进行的研究中，早已证明了大气压冷等离子体直接应用对细菌及其生物膜的抑制和杀伤作用2 12 5等离子体活化液亦可以通过引起细胞膜裂解和生物膜破坏来杀死细菌。根据众多研究数据，等离子体活化液（PALs）可以杀灭多种细菌，包括常见的大肠杆菌2 6 ，金黄色葡萄球菌2 7 和淋病奈瑟球菌2 8 。活性水（PAW）中的ROS首先影响和破坏抗氧化剂的氧化还原状态，穿透金黄色葡萄球菌的细胞膜,然后破坏细胞结构，导致金黄色葡萄球菌死亡2 7 。在Liu等2 8 的研究中,等离子体活化盐水可以通过在动物模型中上调炎症因子和基因,改变病原体的形态结构，调节宿主对感染的免疫反应，从而杀死淋病奈瑟菌。生物膜是附着在活体或非活体表面的微生物细胞（细菌和真菌）的复杂群体。传统的抗生素、杀菌剂和通常的免疫清除的效果受到严重限制,因此生物膜往往与慢性、持续性的感染有关。PAW产生的各种动态变化的短寿命和长寿命的RONS及其与生物膜成分的相互作用可以破坏生物膜的结构，从而使其更容易杀死细菌2 92.1.2真菌许多真菌包括癣菌、念珠菌、霉菌和孢子菌，都可以引起皮肤感染。甲真菌病是临床上的一个难题,原因是甲板结构致密,甲板内药物有效浓度低，治疗周期长。人们对等离子体进行了探索，并在甲真菌病病原体、甲离体模型和临床试验中显示出显著的效果经APPJ处理的白色念珠菌和毛癣菌生长受到抑制，黏附性降低，难以感染甲模型30-31。此外,其他皮肤癣菌的结果,如疣状毛癣菌，证实CAP有能力阻止皮肤癣菌的生长和感染32 。在一项利用等离子体半定量治疗甲真菌病的试验研究中，观察到大气压冷等离子体处理破坏了细胞壁，减少了孢子的数量并分散了孢子簇，这表明，大气压冷等离子体处理可以对真菌生物膜产生预防作用3Lipner等34 对19例患有甲真菌病的参与者进行了一项试点研究，总体临床治愈率为53.8%，真菌学治愈率为15.4%，且患者满意度高，没有明显或长期的不良反应，证明大气压冷等离子体是治疗甲真菌病的安全方法。在一组40 例甲真菌病患者中，大气压冷等离子体疗法与甲磨削（nailplateab-rasion and refreshment，NPA R）或抗真菌药物治疗相结合，将受试者分为3组，包括17 例接受NPAR联合冷等离子治疗的患者，11例接受抗真菌药物和冷等离子治疗的患者,以及12 例单独接受NPAR治疗的患者，NPAR和冷等离子体的组合使7 0%以上的患者得到了临床治愈，且真菌学治愈率提高了 8 5.7%35冷等离子体有希望成为治疗皮肤真菌感染的一种替代疗法。此外，一项抗真菌试验的结果显示，等离子体处理时间越长，PAH的抑制作用越强，且PAH的抗真菌寿命比PAW长36 ,这为未来治疗皮肤真菌病提供了一种新方案。2.1.3病毒和寄生虫据报道，大气压冷等离子体对病毒也有一定的杀灭效果37 ,但目前它在皮肤病学中的应用还较少。Friedman等38-39 报告了使用冷等离子体治疗两个成年病毒疣患者和5例儿童病毒疣患者的良好效果。Bunz等40 还观察到冷等离子体对HSV-1有较低但可测量的抗病毒作用。还需要进一步探索其他大气压冷等离子体设备和参数对病毒的影响http:/393皮肤科学通报2 0 2 3年8 月第40 卷第4期此外，等离子体也被证明对寄生虫如蠕形螨、头虱有效。Malik等41 对3例玫瑰痤疮患者进行了半脸研究，比较了2 次/周冷等离子体处理和1次/d外用伊维菌素，3例患者在伊维菌素和冷等离子体治疗部位的蠕形螨感染的毛囊比例以及蠕形螨总数都明显减少，而且没有不良反应。Bosch等42 开发了一种类似于梳子的大气压冷等离子体装置（冷大气压等离子体梳），用于治疗头虱，研究结果表明，等离子体梳在头发上的单次作用就能使头虱和虫卵死亡，并从臭氧浓度、紫外线发射率和泄漏电流三个方面得出了安全结论。2.2伤口愈合结合等离子体在治疗细菌感染方面的显著作用,CAP可以通过显著降低治疗组伤口细菌载量促进伤口愈合，并且安全性可以得到保障，许多基础研究、病例报告、临床试验均揭示了这一点43-0 。此外，大气压冷等离子体还可以通过其他方式促进伤口愈合。在Stratmann进行的一项随机临床试验中，冷等离子体疗法加速了慢性伤口的愈合，但大气压冷等离子体和安慰剂组之间的微生物负荷没有显著差异31。早在这项临床试验之前，大气压冷等离子体疗法已被证明对慢性伤口有益，且不是因为其抗菌作用52 在过去十年中，一系列体外研究表明，等离子体触发的伤口愈合依赖于刺激细胞增殖和存活3-54细胞外基质（ECM)蛋白的合成557 、连接蛋白和细胞骨架结构的变化58.0 1以及细胞凋亡6 1.6 。此外，一些研究表明，大气压冷等离子体处理可诱导参与伤口愈合的基因6 41,并有利于对已知对伤口愈合重要靶标进行氧化还原调节6.6 8 考虑到对伤口更为均匀一致的处理,许多学者对于等离子体活化液治疗伤口的机制和应用展开了进一步研究，见图2。他们发现PAW可以通过减少治疗组中伤口的细菌量来加速伤口的愈合49。在Lee等6 9 的研究中，他们用PAM培养角质细胞，用PAW治疗小鼠模型。PAM处理促进了角质细胞的细胞骨架转化和迁移，这是由于整合素依赖的焦点粘附分子和基质金属蛋白酶（MMPs）的表达发生变化。这项研究还确定了细胞内活性氧（ROS)水平的增加作为细胞迁移激活的驱动力的作用，他受NADPH氧化酶和线粒体膜电位变化的调节。在使用小鼠背部全层急性皮肤伤口模型的体内实验中，发现PAW处理有助于提高再上皮化率，重申了潜在的细胞内ROS依赖性整合素依赖性信号分子的激活。Zou等7 0 通过用冷等离子体处理橄榄油制成了等离子体活化油。PAO不仅能杀死伤口上的细菌,还能促进CD34和血管内皮生长因子（vascu-larendothelial growthfactor，VEC F）等生长因子的大量释放，使伤口愈合速度比对照组快2 8.5%。等离子体活化液在纤维蛋白（S-F）复合水凝胶中的应用结果提示PAH可以显著提高放疗伤口的愈合，细胞和组织对PAH的反应促进了伤口的再生过程，同时大气压冷等离子体也改善了SF凝胶的机械化学特性7 1ORONSVEGFBacteriaECMAngiogenesis注：RONS,活性氮氧化物（reactive oxides of nitrogen）；VEC F,血管生成因子（vascular endothelial growthfactor）；EC M,细胞外基质（extracellular matrix）。图2大气压冷等离子体加速伤口愈合的机制2.3炎症性皮肤病2.3.1银屑病Gan等7 2 利用细胞和动物实验证实了大气压冷等离子体对银屑病的治疗作用。首先,将LPS或TNF-添加到人类角质形成细胞(HaCaTcell）中,模拟银屑病的细胞模型,用PAM进行培养。然后将APPJ直接应用于咪喹莫特诱导的银屑病小鼠模型。据观察,PAM增加了HaCaT细胞的ROS并导致细胞凋亡。此外,有趣的是,咪喹莫特诱导的银屑病样皮炎在APPJ治疗后，皮损逐渐减轻，显示出表皮增生减弱和表皮层变薄。冷等离子体的RONS可以抑制角质形成细胞的过度增殖，促进其调亡。同时，它可以抑制T淋巴细胞的增殖,增强与T淋巴细胞增殖呈负相关的PD-L1蛋白的表达7 3。此外，ROS和RNS可以直接调节皮http:/394皮肤科学通报2 0 2 3年8 月第40 卷第4期损处IL-6、I L-12 和VEGF等炎症因子的释放，达到缓解银屑病的目的7 4。另外，病例报告显示，用大气压冷等离子体治疗2 例反向银屑病，以及用手持式DBD放电等离子体设备治疗1例常规治疗无效的掌跖银屑病，均取得了满意效果.75-76Kim等7 7 制作了用于治疗银屑病皮损的大气压冷等离子体贴片，其表面电介质阻断放电在柔性聚合物薄膜表面产生活性氧（ROS）和活性氮（R NS），通过诱导角质形成细胞中的钙离子通道的开放和排除电场的影响，缓解了银屑病症状2.3.2特应性皮炎学者们用大气压冷等离子体治疗不同的特应性皮炎（atopic dermatitis，A D）小鼠模型,都显示出积极的效果。在二硝基氟苯诱导的特应性皮炎小鼠模型中，作者发现冷等离子体减少了皮肤细胞凋亡,缓解了皮肤炎症、ER应激和氧化应激，这是由等离子体诱导的MANF表达介导的7 8 。在粉尘螨提取物诱导的小鼠AD模型中,冷等离子体的局部治疗降低了皮炎严重程度、经表皮失水(TEWL)和血清IgE水平7 9。另一个小鼠尘螨AD模型中，等离子体抑制了表皮厚度的增加以及肥大细胞、嗜酸性粒细胞的招募,与AD相关的细胞因子和趋化因子的表达也有所减少8 0 。Choi等8 1将冷等离子体应用于促炎细胞因子刺激的角质细胞和由2,4-二硝基氯苯(DNCB)诱导的AD模型小鼠也有不错的效果，研究还表明,NTP可以通过调节NF-kB的活性来改善AD。总的来说，等离子体可以抑制炎症因子及IgE的产生和释放、减少炎症细胞的数量以降低皮炎严重程度、保护皮肤屏障。在一项包括2 2 例表现为对称性皮损的轻度至中度特应性皮炎患者的临床研究中,特应性皮炎皮损和瘙痒通过大气压冷等离子体治疗得到改善。同时，微生物组分析显示，治疗组中金黄色葡萄球菌的比例明显减少8 2 2.3.33白癜风Zhai等8 3 研究了PAH在白癜风小鼠模型和活动性局灶性白癜风患者中的疗效和安全性。皮肤活检显示，用冷等离子体局部治疗小鼠背侧皮肤上的白癜风样病变,可恢复黑色素分布,减少T细胞和树突状细胞浸润,减少炎症因子释放；并通过增强转录因子NRF2的表达和减弱诱导性一氧化氮合成酶的活性，提高细胞对氧化应激和过度免疫反应的抵抗力。在随机对照试验中，大气压冷等离子体治疗分别在8 0%和2 0%的白癜风皮损中实现了部分和完全的色素沉着，在治疗和随访期间，周围区域没有出现色素沉着或其他不良事件。2.4皮肤肿瘤十多年来，关于等离子体对肿瘤的研究从细胞到动物，原始研究数量飞速增长4-5。在所有可能的抗肿瘤机制中，大气压冷等离子体诱导的细胞凋亡被研究得最为广泛8 6 8 7 ：在等离子体产生的RONS下，它涉及各种信号通路的激活，如MAPK通路和PI3K/Akt通路的抑制，从而导致细胞死亡s；其他可能的机制包括诱导自噬【90 、焦亡91、铁死亡92.93,调节癌细胞代谢94 以及引起细胞周期停滞、DNA损伤和线粒体功能紊乱95。此外，肿瘤微环境的变化96 和针对肿瘤的免疫系统的激活97-98也包括在内。许多研究表明，黑色素瘤细胞对冷等离子体具有非凡的反应性18 7.8 9.9-0 3。用冷等离子体处理正常皮肤和黑色素瘤细胞，发现黑色素瘤细胞对冷等离子体诱导的RONS有更高的敏感性，这可以使冷等离子体在抗癌治疗具有适用性和安全性10 4。皮肤肿瘤还包括基底细胞癌（BCC）和鳞状细胞癌（SC C），对其间接使用大气压冷等离子体也有显著效果。Wang等10 5 研究了PAM对皮肤鳞状癌细胞的影响以及其中的机制。他们选择了A431表皮癌细胞系和PAM培养A431细胞2 h。结果显示,PAM以剂量/时间依赖的方式增加细胞内ROS水平并减少A431细胞增殖。此外,PAM诱导了A431细胞的凋亡。Yang等10 的研究通过大气压冷等离子体辐照与DMEM和PBS制备PAM。在体外，用PAM处理TE354T细胞显示,PAS诱导基底细胞癌细胞的亡信号，这种效果与MAPK信号通路的激活有关。由于大气压冷等离子体渗透能力约纳米到毫米水平10 7 ，难以穿透组织到深部。而PAW流动性强，进人人体后难以控制作用范围，而且会被稀释。等离子体活化水凝胶（PAH），不仅可以帮助克服一些临床局限性，还可以提供一个方便的载体将冷等离子体与现有的药物结合起来，提高治疗反应，为冷等离子体的临床转化作出贡献。一篇综述提供了通过整合生物材料和等离子体医学的专业知识开发PAH的实际考虑和前景10 8 。Zh a n g 等10 9 的研究表明，等离子体活化热敏生物凝胶可以消除切除手术后的残留肿瘤组织，还可以抑制原位复发，同时没有明显的全身毒性，且生物凝胶还具有优良的储存http:/395皮肤科学通报2 0 2 3年8 月第40 卷第4期能力，可以缓慢释放等离子体产生的ROS,并在体外表现出良好的ROS介导的抗癌效果，研究结果表明,这种新型等离子体激活的生物凝胶是一种有效的治疗剂，可用于癌症的术后局部治疗。2.5皮肤美容通过热效应和高能量产生作用的微等离子体射频技术,已在临床被用于治疗萎缩性疤痕10 1和疣状表皮痣1与此同时，常温下的大气压冷等离子体在美容方面也有其应用。扩张纹或妊娠纹是常见的皮肤病变，通常由体重快速变化、内分泌失调或滥用类固醇引起12-13。在Suwanchinda进行的一项临床研究中,2 3例受试者在一侧接受了大气压冷等离子体治疗,另一侧作为空白对照。而在冷等离子体治疗后，所有患者的主观和客观都显示出改善。这项研究证明了大气压冷等离子体技术的有效性和安全性。他可以被视为扩张纹治疗的替代治疗方案之一14。Suwanchinda还对瘢痕疙瘩进行了另一项临床试验，瘢痕疙瘩在临床上通常表现为以前受伤或发炎部位的硬橡胶结节，经过大气压冷等离子体治疗后，各种主观和客观指标都有明显改善15。此外，等离子体中的ROS改变了连接网络，促进了组织氧合，SC脂质氧化,并限制了模型药物姜黄素的渗透，这表明等离子体可能为皮肤屏障的调节提供了一个新的、敏感的工具16 ，在未来为敏感、屏障受损皮肤的人提供一种新的治疗方式。在一项研究中,研究者设计了一种新的便携式大气压冷等离子体,用于等离子体皮肤再生的目的,并研究了该设备与维生素C软膏对大鼠皮肤的影响。机械测量显示，与对照组相比，大气压冷等离子体对接受治疗的组织有积极作用。此外，在组织学研究中检查了胶原蛋白水平和表皮层厚度的变化。结果显示，单独使用等离子体后，胶原蛋白水平增加，同时使用两者后,皮肤反应加快。应用高电压等离子体后，表皮层的厚度增加,这表明皮肤弹性增加。这项研究表明，使用便携式等离子体设备与维生素C软膏对皮肤美容有积极作用7 O3结论在皮肤科领域，大气压冷等离子体显示出极好的潜力。首先,皮肤病种丰富,包括皮肤感染、肿瘤、免疫性皮肤病等，有众多可能的适应证等待探索；其次，从治疗方式的特点来看，等离子体外用安全直接，皮肤是最容易实现体内实验和临床试验的人体器官，是扩大等离子体临床应用的最重要和最早的机会。等离子体在皮肤科的应用主要涉及感染性皮肤病、伤口愈合、炎症性皮肤病、皮肤肿瘤、皮肤美容等方面，在适宜的范围内安全性和有效性都有着充分的保证。等离子体的直接应用和间接应用各有优缺点，具有互补性。在面临作用时间长、作用深度和面积较大等问题时，可根据疾病的特点和部位选择活化液进行治疗。大气压冷等离子体源条件参数多变，作用机制和原理还不完全清楚，临床研究较为缺乏。对于间接应用，液体与等离子体复杂的相互作用还不太了解，活性物质难以预测，储存时间和温度也有待于确定18 。总的来说，直接或间接应用等离子体是一种有前途的皮肤病治疗方法，但还需要进一步研究和探索。参考文献1 Lu X,Naidis GV,Laroussi M,et 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