本文由Paul Y. Kim、Yoon-Sun Kim、Il Gyo Koo、Jae Chul Jung、Gon Jun Kim、Myeong Yeol Choi、Zengqi Yu和George J. Collins共同撰写，他们均来自美国科罗拉多州立大学电气与计算机工程系。该研究于2011年8月29日发表在《PLOS ONE》期刊上，题为《Bacterial Inactivation of Wound Infection in a Human Skin Model by Liquid-Phase Discharge Plasma》。研究得到了科罗拉多州生物科学发现评估资助计划的支持。

研究背景与目的

该研究的主要科学领域是生物医学工程和微生物学，特别是针对慢性伤口感染的治疗。慢性伤口感染通常由生物膜（biofilm）形成菌引起，这些生物膜对抗生素具有极强的耐药性，导致传统治疗方法效果不佳。生物膜是由微生物聚集并嵌入自产的胞外聚合物基质中形成的结构，能够抵抗抗生素的渗透和免疫系统的攻击。根据美国国立卫生研究院的数据，生物膜导致了80%以上的微生物感染。

等离子体（plasma）作为物质的第四态，近年来被广泛研究用于杀菌和生物膜去除。等离子体能够产生高活性氧物种（reactive oxygen species, ROS）、臭氧和紫外线（UV）辐射，这些成分均具有杀菌作用。然而，大多数研究集中在非热等离子体在固体表面（如琼脂或外科植入物）上的应用，而在活体组织上的研究较少。由于体外实验往往高估了抗菌效果，且等离子体可能对人体组织造成损害，因此本研究首次在重建的人类皮肤模型上使用液相放电等离子体（liquid-phase discharge plasma）进行细菌灭活研究。

研究方法与流程

研究使用了重建的人类全厚度皮肤模型（EpiDermFT），该模型由人类表皮角质形成细胞和真皮成纤维细胞组成，模拟了人类皮肤的结构。研究首先在皮肤模型上制造了3毫米直径的伤口，并用生物膜形成的金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）感染伤口。细菌在伤口中培养3小时以附着，或培养24小时以形成生物膜。

液相放电等离子体装置由一个钨针电极组成，电极尖端暴露在石英护套外，连接到一个13.56 MHz的射频（RF）电源。等离子体处理在磷酸盐缓冲液（PBS）中进行，处理时间为1分钟、2分钟、3分钟或5分钟。处理后，通过菌落形成单位（CFU）计数评估细菌灭活效果，并通过组织学分析和MTT（3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四氮唑溴盐）测定评估组织活力。

主要结果

研究结果显示，2分钟的等离子体处理显著减少了3小时培养的细菌数量，灭活率达到99.985%（3.83-log10减少，p<0.001）。对于24小时形成的生物膜，3分钟的处理也显著减少了细菌数量（1.59-log10减少，p<0.05）。组织学分析表明，等离子体处理后的组织形态变化极小，且1分钟和2分钟的处理对组织活力没有显著影响。然而，3分钟及以上的处理时间会导致组织活力下降。

光谱分析显示，等离子体放电产生了高活性氧自由基（777 nm和844 nm）和UV辐射，这些成分可能在细菌灭活中发挥了重要作用。等离子体的温度计算为3100 K，但处理过程中PBS的温度保持在37°C以下，表明热效应对细菌和组织的影响较小。

结论与意义

该研究首次证明了液相放电等离子体在重建人类皮肤模型上对生物膜形成菌的灭活效果。研究结果表明，液相等离子体处理可以有效减少伤口中的细菌负载，且对组织的损伤较小。这一发现为慢性伤口感染的治疗提供了新的潜在辅助疗法。

研究亮点

1. 创新性方法：首次在重建人类皮肤模型上使用液相放电等离子体进行细菌灭活研究。
2. 显著效果：2分钟的等离子体处理显著减少了3小时培养的细菌数量，灭活率达到99.985%。
3. 组织安全性：1分钟和2分钟的等离子体处理对组织活力没有显著影响，表明该方法在治疗慢性伤口时具有较高的安全性。
4. 潜在应用：该研究为慢性伤口感染的治疗提供了新的思路，特别是在抗生素耐药性日益严重的背景下，等离子体治疗可能成为一种有效的替代或辅助疗法。

未来研究方向

未来的研究可以进一步探讨等离子体处理对更成熟生物膜的效果，并优化等离子体参数以实现更高的细菌灭活率，同时减少对组织的潜在损伤。此外，多剂量治疗方案可能有助于提高治疗效果，特别是在对抗生物膜感染时。