Estudio de la actividad del plasma frío a presión atmosférica sobre el biofilm y células planctónicas de staphylococcus aureus, pseudomonas aeruginosa y candida albicans
- Autores: Jose Baeza Oliete
- Directores de la Tesis: Javier Pemán García (dir. tes.), Guillermo Baeza Oliete (codir. tes.), M. Angeles Tormo Mas (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan José Camarena Miñana (presid.), Amparo Valentín Martín (secret.), Juan Carlos Martínez Pastor (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Medicina por la Universitat de València (Estudi General)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
El objeto de esta tesis es estudiar la actividad del plasma frío a presión atmosférica o ANTP (Atmospheric Non Thermal Plasma) sobre el biofilm y las células planctónicas de Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa y Candida albicans.
El plasma constituye el cuarto estado de agregación de la materia, tras los sólidos, líquidos y gases. Se produce al ionizar total o parcialmente un gas, pudiendo utilizar cualquier fuente de energía para su generación (eléctrica, térmica, óptica o radiación electromagnética ionizante). Al producirse cargas eléctricas libres (electrones e iones) el plasma es un buen conductor de la electricidad.
El estado de plasma se alcanza cuando buena parte de las partículas que componen el gas alcanzan tanta energía como para que sea posible su ionización liberando una alta densidad de electrones. Los electrones producidos y sus colisiones posteriores con los átomos y moléculas del gas generan las especies reactivas que interaccionarán con el entorno.
El plasma se puede clasificar según los niveles energéticos relativos de los electrones y partículas pesadas (iones y neutras) en plasma térmico y en plasma no térmico, también llamado plasma de no equilibrio o plasma frío.
En el plasma térmico la alta temperatura implica que todas las especies químicas se encuentran en estado de equilibrio termodinámico (Te ≈ Ti ≈ Tg). En los plasmas no térmicos, el enfriamiento de los iones y las moléculas sin carga es más efectivo que la transferencia de energía de los electrones en las colisiones, no alcanzándose el equilibrio térmico y permaneciendo el gas a baja temperatura (Te>>Ti≈Tg ) por lo que es conocido como plasma frío. Los plasmas fríos son capaces de destruir, a temperatura ambiente, microorganismos con un mínimo o nulo daño al entorno por calor.
Los plasmas fríos se pueden generar en cámaras de vacío, denominándose plasmas de baja presión, o a presión atmosférica denominándose plasmas a presión atmosférica. En los generados a bajas presiones de gas, la frecuencia de colisión de los electrones es baja por lo que las energías de los electrones seguirán siendo altas en comparación con las energías de las partículas pesadas (iones y neutras) representando un estado de no equilibrio térmico.
A presiones atmosféricas la frecuencia de las colisiones de los electrones es más alta, por lo que disminuirá la diferencia entre la Te y la temperatura de las partículas pesadas y, por lo tanto, el estado del plasma estará más cerca del estado de equilibrio térmico. Esta condición se puede evitar suministrando una baja densidad de potencia de alimentación o una potencia pulsada, lo que lleva a la formación de plasma frío o de no equilibrio.
La necesidad de descontaminar biológicamente material sensible o de esterilizar material en quirófanos, ha hecho que durante años se estudien diversas técnicas de descontaminación. Existen diversas técnicas empleadas en la actualidad como son el calor seco, calor húmedo, radiación ultravioleta, peróxido de hidrógeno o líquidos con diversas composiciones químicas, pero ninguna se puede aplicar sobre tejidos vivos o materiales especialmente sensibles.
El uso del plasma frío a presión atmosférica surge como una técnica relativamente nueva que permite descontaminar a temperatura ambiente y presión atmosférica, tejidos vivos o materiales especialmente sensibles. Parece ser un buen candidato para la inactivación microbiana en el biofilm o la destrucción de la estructura de una manera ecológica y rentable. El estrés oxidativo producido por los reactivos de la química del plasma es el responsable de los efectos que se producen.
Dado que mi actividad profesional está dedicada al tratamiento de la infección protésica articular y de la osteomielitis crónica del adulto, donde el biofilm es la causa de la cronicidad y dificultad de curación de estas enfermedades, la posible aplicación del plasma frío para descontaminar o esterilizar tejidos vivos y material protésico motivó mi interés por el tema y el desarrollo de esta tesis doctoral.
Para el desarrollo del trabajo experimental empleamos un prototipo denominado cámara de plasma a presión atmosférica - plasma no térmico que se caracteriza por usar aire como gas, trabajar a temperatura ambiente y a presión atmosférica para la producción de plasma, convirtiéndola en un posible candidato para poder ser utilizada de forma económica en multitud de situaciones, entre ellas en el campo de la cirugía séptica del aparato locomotor. La calibración del equipo ya fue realizada por el Dr. Guillermo Baeza Oliete en su tesis “Contribución a la generación de plasma frío mediante electrodos SMD y JET”.
Para poder demostrar la capacidad antimicrobiana de la cámara de generación de plasma sobre el biofilm de S. aureus, P. aeruginosa y C. albicans formada en discos de titanio comercialmente puro (grado 3) y politetrafluoroetileno (PTFE/Teflón) y sobre sus respectivas células planctónicas, desarrollamos cuatro diseños experimentales.
En los dos primeros diseños experimentales se valora la actividad del plasma frío sobre el biofilm de S. aureus, P. aeruginosa y C. albicans formado sobre discos de titanio comercialmente puro y PTFE y sobre sus respectivas células planctónicas. En el tercer diseño experimental se analiza la capacidad del plasma frío para actuar sobre el medio de cultivo e impedir el crecimiento posterior de microorganismos. En el último diseño experimental se evalúa cualitativamente, mediante microscopía confocal laser, la viabilidad del biofilm de S. aureus, P. aeruginosa y C. albicans tras su exposición al plasma frío.
La letalidad media producida sobre el biofilm de S. aureus, P. aeruginosa y C. albicans, formadas durante 48 horas sobre discos de titanio, después de 60 minutos de exposición al plasma frío fue del 99,7%, 99,9% y 99,6%, respectivamente. En el caso de los discos de PTFE fue del 99,1%, 95,9% y 94,4%, respectivamente.
La letalidad global media de las células planctónicas de S. aureus, P. aeruginosa y C. albicans después de la exposición del plasma frío durante 90 minutos fue del 99,87%.
La exposición del medio de cultivo BHI al plasma frío durante 90 minutos generó un medio de cultivo activado por plasma (PAM) que impidió el posterior crecimiento de S. aureus, P. aeruginosa y C. albicans.
Mediante microscopía confocal de exploración láser se constató, que la exposición al plasma frío durante 60 minutos de discos de cristal, sobre los que previamente se había formado un biofilm de 48 horas de S. aureus, P. aeruginosa y C. albicans se produjo una destrucción completa del biofilm.
