Welt der Physik: Was genau ist kaltes Plasma?
Sander Bekeschus: Wir arbeiten mit physikalischen Plasmen, es geht also nicht um das Blutplasma. Plasma gilt als vierter Aggregatzustand der Materie und entsteht, wenn einem Gas so viel Energie zugeführt wird, dass seine Atome und Moleküle Elektronen freisetzen und geladene Ionen bilden können. In der Medizin wird heißes Plasma etwa zum Stillen von Blutungen oder zum präzisen Schneiden von Gewebe genutzt. Es gibt aber technische Möglichkeiten, Plasma so weit abzukühlen, dass es für schonendere medizinische Anwendungen geeignet ist, ohne das Gewebe zu verbrennen. Dieses sogenannte Kaltplasma wirkt über reaktive Moleküle regulierend auf das Gewebe. Medizinische Geräte erzeugen Kaltplasma direkt aus Luft oder einem Edelgas, indem sie das Gas mit elektrischer Energie anregen, ohne es dabei stark aufzuheizen.
Wie verbreitet sind Behandlungen mit Kaltplasma bereits in der Medizin?
Behandlungen mit Kaltplasma sind in Deutschland recht weit verbreitet und werden seit etwa zehn Jahren regelmäßig durchgeführt. Kaltplasma wird zum Beispiel eingesetzt, wenn die Wundheilung nicht wie gewünscht verläuft – gerade bei älteren Patientinnen oder Patienten oder bei Personen mit Diabeteserkrankungen. Dann kann Kaltplasma helfen, da es eine sehr starke antimikrobielle Wirkung hat.
Sie und Ihr Team erforschen neue Ansätze für den Einsatz von kaltem Plasma. Wofür interessieren Sie sich genau?
Wir beschäftigen uns mit Plasmatherapie bei der Behandlung von Krebs. Es gibt nämlich den Fall, dass Tumore nach erfolgreicher chirurgischer Entfernung wieder auftreten. Das kann passieren, wenn einzelne Tumorzellen im Wundrand verbleiben. Deswegen wird häufig nach einer Tumorentfernung noch Strahlentherapie und Chemotherapie eingesetzt, um das Wiederauftreten der Tumore zu verhindern – das gelingt häufig, aber nicht immer. Unsere Idee ist nun, kaltes Plasma einzusetzen, um die Wundränder nach dem chirurgischen Eingriff direkt zu behandeln und so Tumorzellen im Gewebe zu eliminieren. Dadurch ließe sich die Wahrscheinlichkeit, dass der Krebs neu auftritt, möglicherweise weiter verringern.
Wie können durch das Plasma denn Tumorzellen eliminiert werden?
Medizinische Behandlung mit Kaltplasma
Wir wissen, dass die Plasmen aus der Raumluft sogenannte freie Radikale erzeugen, indem sie Energie auf die Luftmoleküle übertragen, die dann chemisch umgebaut werden. Die resultierenden, chemisch reaktiven Moleküle können wir mithilfe des Plasmas auf und in das Gewebe hineintragen. Die Tumorzellen erfahren dann einen gewissen Stress durch die freien Radikale und können so absterben. Welche Mechanismen dabei im Gewebe wirken, ist allerdings noch nicht genau bekannt – das ist ein Schwerpunkt unserer aktuellen Forschung.
Wie gehen Sie dabei vor?
Wir untersuchen unter anderem, wie tief im Gewebe welche freien Radikale des Plasmas wirken können. Dazu haben wir eine bildgebende Technik eingesetzt, um erstmals systematisch Proben in drei Dimensionen nach Kaltplasma-Behandlung zu betrachten. Für diesen Zweck haben wir neuartige 3D-Hydrogelmodelle, ähnlich einem Tumorgewebe, entwickelt. In diesem Modell können wir das Vordringen der reaktiven Moleküle genau verfolgen. Dazu vergleichen wir Aufnahmen aus 25 Schnittbildern entlang der Ausbreitungsrichtung des Plasmas bis zu einer Eindringtiefe von 1500 Mikrometern in den Hydrogel-Block. Wir haben außerdem verschiedene Zellen in das Gel eingegossen, um zu verstehen, wie tief das Plasma bei welchem Zelltyp, welchem Plasmamodus und welcher Behandlungsintensität, wirkt. Schließlich haben wir noch eine Art Tumorwundmodell konstruiert: einen Hydrogelblock, der Zellen enthält und in den wir ein Loch hineinschneiden, um die Behandlung einer Tumorwunde zu analysieren.
Was haben Ihre Analysen ergeben?
Wir haben vielversprechende Ergebnisse. Denn wir konnten zeigen, dass Tumorzellen vor allem im umliegenden Gewebe wirksam mit Kaltplasma bekämpft werden können. Mithilfe unserer Analysen wollen wir das Plasma nun gezielt anpassen und weiterentwickeln, um in echten Anwendungsfällen die bestmögliche Wirkung auf die Tumorzellen zu erzielen. Darüber hinaus haben wir uns auch viel damit beschäftigt, ob das Plasma bei sehr hohen Dosen die Bildung von Metastasen verstärken oder toxisch auf die Gene wirken könnte. Dafür sehen wir aber keinerlei Indizien.
Und wie geht es jetzt weiter?
Wir möchten bestehende Plasmageräte noch besser an unseren Anwendungsfall – das Eliminieren von einzelnen Tumorzellen in Geweben – anpassen. Dafür suchen wir auch kontinuierlich nach Partnern aus Forschung und Kliniken. Die klinische Erforschung neuer Ansätze für die Kaltplasma-Technologie ist leider dadurch erschwert, dass Studien vorwiegend aus eigenen finanziellen Mitteln der Kliniken durchgeführt werden müssen. Die Sicherheit der Kaltplasma-Behandlung ist jedoch unstrittig und ausgiebig gezeigt.
Gehen Sie davon aus, dass die Methode bald schon in Kliniken eingesetzt wird?
Grundsätzlich spräche nichts dagegen, schon morgen damit zu beginnen. Es gibt gute Konzepte, gute klinische Daten und Sicherheitsstudien. Außerdem gibt es jahrzehntelange positive Erfahrungen aus dem klinischen Einsatz von Kaltplasma für die Wundheilung. Und wir haben unsere Forschungsergebnisse mit Geräten erzielt, die bereits im klinischen Einsatz sind. Außerdem spricht für die Methode, dass die nutzbaren Geräte zum Teil schon an den Kliniken vorhanden sind und die Plasmabehandlung relativ schnell durchgeführt werden kann. Das könnte ein echter Game-Changer für Krebspatientinnen und ‑patienten sein. Doch bis das Plasmaverfahren in medizinische Leitlinien rund um Tumoroperationen eingehen wird, werden sicherlich noch einige Jahre vergehen, da man dafür noch erfolgreiche onkologische Studien benötigt. Solche Studien könnten dann aber für verschiedene Tumorerkrankungen gleichzeitig durchgeführt werden.