冷大气等离子体的医学应用

等离子体医学是一个创新的研究领域，它结合了等离子体物理、生命科学和临床医学。这个领域主要关注冷大气等离子体（CAP）在治疗环境中的应用。基于其灭活微生物的能力和刺激组织再生的能力，目前的医疗应用主要集中在伤口和皮肤疾病的治疗上。由于CAP也能够灭活癌细胞，预计其在癌症治疗中的应用将成为下一个临床等离子体应用的领域。其他有前景的应用预计会出现在口腔医学和眼科学中。现有的知识表明，生物等离子体效应主要是基于活性氧和氮物种的作用，这些作用得到了电场和紫外线辐射的支持。然而，持续的基础研究不仅对于改善、优化和扩大医疗CAP应用的范围及其安全性至关重要，而且它还是识别和定义用于监测和控制等离子体治疗及其效果的单一参数或参数集的基础。在CAP等离子体设备领域，目前的研究和应用主要由两种基本类型的设备主导：介质阻挡放电（DBD）和等离子体射流。包括与技术单元的结合，用于连续和实时监控等离子体性能和被治疗的目标，这将导致新一代基于CAP的治疗系统的出现。

von Woedtke, Thomas, et al. "Perspectives on cold atmospheric plasma (CAP) applications in medicine." Physics of Plasmas 27.7 (2020).

一、 引言

等离子体医学指的是直接在人体（或动物）身上或体内使用物理等离子体进行治疗目的。自2000年代中期起主要由物理学家推动，它发展成为一个包括生命科学和医学在内的跨学科研究领域。在狭义上，等离子体医学专注于使用冷大气压力等离子体（CAP），即在治疗目标部位产生的温度不超过40°C的等离子体。在大气条件下产生冷等离子体的广泛技术中，两种基本类型的CAP设备主导了等离子体医学的临床前和临床研究：介质阻挡放电（DBD）和等离子体射流。DBD的特点是在孤立的高压电极和待治疗的目标之间的间隙中点燃等离子体，等离子体与目标之间有直接接触（体积DBD），或者围绕一个单独设计的电极结构（例如，圆形或网格状），该结构与对电极隔离（表面DBD）。在后一种情况下，活跃的等离子体与待治疗的目标没有直接接触。在DBD中，大气空气通常作为等离子体产生的工作气体。在等离子体射流装置中，等离子体产生的电极设置通常位于管状结构的内部或周围，在大多数情况下位于类似笔的设备内部，使用流动的工作气体点燃等离子体。电极配置可能在无介质电极射流、DBD射流、类DBD射流和单电极射流之间变化。产生的等离子体流出物（或余辉）沿着气流携带出来，可以与待治疗的目标直接接触。大多数等离子体射流设备使用惰性气体（例如，氦气或氩气）作为工作气体，通常掺杂少量分子气体（例如，氮气、氧气）。

除了关于CAP抗菌活性的几个实验经验外，尤其是2000年中期关于哺乳动物细胞非致命性操作的报告标志着使用微生物、包括癌细胞在内的哺乳动物细胞和活体组织模型进行关于等离子体-细胞相互作用的密集体外研究的十年开始。这在数量庞大且不断增长的出版物中有所报道。从这种密集的基础研究出发，与此同时，CAP的首批临床应用正在成为现实，等离子体在医学中使用的潜力被认为非常有前景。

二、 目前CAP设备的医学应用：伤口愈合和皮肤病学

医学中CAP应用的研究首先集中在慢性伤口的治疗上。等离子体对伤口愈合的效果是CAP活动的两个步骤的结果：结合消毒伤口表面和直接刺激组织再生（图1）。

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图1展示了CAP支持的伤口愈合两步效应的概念。

在使用氩气驱动的微波等离子体火炬治疗慢性溃疡后首次获得积极的临床结果之后，几项关于慢性溃疡治疗的临床试验证明了等离子体效果主要是减少伤口上的细菌负荷。即使在临床环境中应用CAP的经验主要是积极的，但这些实践经验的可理解性和系统性文档记录还很少见。因此，在等离子体支持的慢性伤口愈合领域，目前最重要的挑战是实现随机对照试验（RCT），以巩固这一真正有前景的CAP在医疗实践中的应用。然而，必须记住的是，在伤口护理领域的对照试验总体上是罕见的，这主要是因为伤口作为如此复杂的表现的一部分，以至于在研究设计范围内进行概括是非常困难的。

此外，除了对慢性和微生物感染/污染的伤口愈合的研究外，动物研究以及与健康志愿者的临床试验都清楚地表明了对伤口愈合的明显刺激效应，这与抗菌作用无关。毫无疑问地表明，CAP治疗有助于加速创伤早期阶段的伤口闭合速率。通常，直接结合伤口抗菌作用与刺激组织再生作用是CAP与传统和已建立的伤口护理措施相比的优势和独特特点，这必须在临床试验和临床实践中强调。此外，关于CAP治疗直接刺激组织再生的研究结果是评估CAP在急性伤口愈合领域适用性的基础。通常认为，急性手术伤口以及外伤伤口在生理条件下会正常愈合，不需要额外的刺激。然而，必须分析CAP治疗可能与其抗菌作用一起，是否具有预防术后伤口感染和其他愈合并发症的治疗价值。已经有初步的方法使用CAP来支持那些由于患者健康状况而增加迟缓愈合风险的急性外科伤口的愈合。在这方面，还应该澄清等离子体支持的急性伤口愈合加速对疤痕形成的影响。与可能的预防性效果对伤口感染一起，CAP治疗是支持整形外科和美容医学领域几种干预措施的有前景的选择。此外，CAP在伤口治疗中的预防性和治疗性使用也在紧急和军事医学的现场应用中讨论中。

除了作为临床环境中调查最多的CAP应用的伤口愈合之外，等离子体设备也用于治疗感染性和炎症性皮肤病，如带状疱疹、特应性湿疹、痤疮、脚气和其他疾病。众所周知，从事等离子体医学的医生也会将CAP用于此类适应症。然而，这些皮肤病学应用的经验很少被记录或报告在更大的病例系列中。阐明和系统化CAP在伤口愈合和皮肤病学中应用的适应症是临床研究中的持续任务。

总的来说，可以肯定地说，CAP设备用于治疗目的的应用正在走向临床常规。这至少得益于通过几项有意义的、确立的体外测试以及长期的动物试验排除了CAP治疗增加遗传毒性和突变效应的风险。

三、 医学中可预见的CAP应用领域

除了伤口愈合和皮肤病学之外，还有几个潜在的医学中的CAP应用正在研究中。近年来，最重要的研究领域是癌症治疗中的等离子体应用。关于CAP治疗光化角化病（即皮肤原位鳞状细胞癌）的临床应用的首份报告，在患者研究中取得了良好的效果。在头颈部晚期鳞状细胞癌患者中，CAP应用在姑息治疗中成功用于治疗感染的肿瘤溃疡，减少微生物负荷及其产生的典型的恶臭。在某些特殊情况下，也发生了短暂的肿瘤缓解。

目前，CAP研究的重点在于特定的等离子体应用，以根除癌症或至少通过增强免疫原性细胞死亡（ICD）选择性减少癌细胞。这基于几项研究，这些研究表明通过诱导程序性细胞死亡有效地灭活不同癌细胞系，并且至少有初步的实验证据表明CAP对癌细胞相对于非癌细胞具有至少部分选择性。首次动物研究通过透皮等离子体治疗皮下诱导的实体瘤，已经证明了等离子体支持的肿瘤治疗的总体概念，这导致了2011年已经非常乐观的“癌症治疗范式转变”的预测。然而，CAP在癌症治疗中的应用仍处于临床前和临床研究阶段，尚未成为可行的治疗方案的一部分。目前，两种方法似乎对癌症治疗中的CAP应用最有前景。一方面，基于有效灭活单层癌细胞的实验证明，结合手术肿瘤切除的辅助等离子体应用似乎是现实的，在无法进行大规模肿瘤切除的情况下，CAP可以用于手术后操作区域的后处理，以灭活可能残留的癌细胞。另一方面，黑色素瘤治疗中的CAP应用是一个有前景的领域，因为黑色素瘤通常发生在皮肤上，对免疫疗法高度敏感，因此容易定位且适合直接等离子体治疗。由于等离子体可能诱导的免疫原性细胞死亡，通过将CAP与已建立的免疫疗法结合使用，可以增强转移性黑色素瘤治疗的效果。

总的来说，可以预测，CAP在癌症治疗中不会优先作为单一治疗选项出现，而是作为综合治疗策略的一部分。除了上述与手术肿瘤切除或免疫疗法的结合外，其他正在研究中的选择包括与放射疗法、脉冲电场和化疗的组合。

另一个在癌症治疗中有前景的CAP应用领域是使用等离子体处理过的液体，如第VI节所述。

然而，在癌症治疗中的CAP应用变得现实之前，必须回答一些特别关注其安全性的问题。一方面，必须证明CAP是否真的对癌细胞有选择性，或者相邻健康组织可能在多大程度上以及带来什么后果受到灭活癌细胞影响的等离子体冲击。另一方面，更重要的问题是，如果（意外的）亚有效的CAP治疗强度，例如在等离子体影响的边缘区域，可能会诱导癌细胞生长和增殖的加速，与等离子体在组织再生中的效果相当，最终导致转移。首些体外研究调查后一个问题提供了一些证据，表明这种危险不存在，但需要更多的确认。然而，一些体内研究能够证明，CAP治疗可以增强组织氧合和调节血流，这可能一方面支持转移，但另一方面可能在结合治疗中增强放射疗法和化疗的效果。因此，需要更多的研究来评估不同治疗设置下CAP应用于癌症治疗的利弊。

最后，大块肿瘤是否能够被CAP治疗有效接触仍然是一个悬而未决的问题。一方面，在实验性的半体内大块肿瘤模型中，等离子体已被证明能够灭活深度达40微米的细胞层。另一方面，在动物试验中，通过透皮等离子体治疗减小了皮下肿瘤异种移植物的体积，即在可以排除等离子体与肿瘤大块直接接触的条件下。在这里，一些关于可能的等离子体诱导免疫原性细胞死亡（ICD）的迫切问题需要讨论。ICD概念基于这样一个假设：等离子体处理过的癌细胞能够通过所谓的损伤相关分子模式（DAMPs）的呈现，增强其对机体自身免疫细胞的可见性。因此，利用患者自身的免疫系统的保护效应来特别针对癌细胞。众所周知，一些化疗药物以及物理疗法，如光动力疗法或放射疗法，都可以是强大的ICD诱导剂。有一些实验证据表明，CAP治疗也是如此。这将是一种非常有前景的癌症治疗方法，适用于无法实现直接等离子体接触的情况。因此，CAP诱导的ICD是等离子体支持的癌症治疗中最有趣的研究领域之一。此外，这些问题不仅在等离子体癌症治疗方面很重要，而且在局部CAP应用的潜在全身效应方面也很重要。

从等离子体医学研究之初就调查的另一个领域是使用CAP进行血液凝固和止血。使用等离子体的血液凝固是电外科手术的成熟部分，例如氩等离子体凝固术。通过这些技术，通过“封闭”和收缩组织以热基础方式实现止血区域的止血。近年来，几项实验研究体外和体内已经证明，CAP也能够在不造成热组织损伤的情况下诱导血液凝固。关于CAP与生理血液凝固级联反应的特定组分直接相互作用的潜在机制有不同的假设。通过CAP应用，可以在不损害组织坏死或收缩的情况下实现更局部化的血液凝固。因此，它可能成为手术中的有价值的辅助技术，尤其是在腹腔镜或微创手术等特定应用中。

另一个研究已久且研究范围广泛的CAP应用领域是口腔医学。在这里，CAP的应用既可以用于预防也可以用于治疗目的。最普遍的口腔疾病是龋齿和牙周炎。这些疾病的发生是由菌群失调的生物膜引发的，并且它们的进展是由它们引起的。因此，等离子体支持的治疗干预主要旨在影响、减少或消除牙齿物质、周围组织或假体/种植体表面上的生物膜。正在研究中的可能的口腔和牙科CAP应用范围很广，包括治疗口腔粘膜的感染和伤口、灭活和去除牙齿、义齿和牙种植体上的生物膜、牙齿根管消毒、等离子体辅助清洁和优化牙齿和植入体表面以改善骨整合，甚至改善牙齿填充物和假牙的结合、去污和涂层牙科假体，或者牙齿美白。然而，尽管在10多年的时间中有越来越多有希望的实验结果，但在牙科临床环境中几乎没有CAP的应用。这背后的原因并不十分清楚。一个原因可能是，在大多数情况下，牙齿问题或疾病并不像非愈合的慢性伤口或癌症那样令人烦恼或危及生命。因此，与其他医学领域相比，牙科可能会以不同的重点评估风险-效益平衡。然而，这种保留意见应该在很大程度上被消除，因为已经特别证明了对于口腔粘膜来说，CAP治疗不存在长期副作用。此外，对于口腔医学中的大多数问题，现有的治疗方案或多或少都令人满意。因此，任何CAP应用都必须证明与既定疗法相比有显著改进，才能说服牙科医生接受这种创新技术。因此，等离子体医学应用导向研究的主要当前任务是从经济角度评估CAP在口腔医学中的现实潜力，并在适当时促进其进入临床环境的实施。

最后，眼科是潜在的临床应用等离子体领域，尽管结果非常有希望，但令人惊讶的是，这个领域的研究还很少。在这里，可能的等离子体应用集中在治疗角膜炎和角膜溃疡上。已经反复在体外和体内证明，等离子体对眼睛表面的影响可以在不对角膜造成任何破坏性影响的情况下灭活微生物。此外，在一项针对治疗耐药性角膜溃疡患者的首次人体试验中，等离子体的临床潜力得到了证明。因此，在未来，应将等离子体在眼科中的应用视为一种温和而有效的局部抗菌、抗炎和促进伤口愈合的治疗方式。

其他可能的或偶然提出的等离子体医学应用包括治疗神经系统疾病。

然而，等离子体医学是否能继续进入临床实践将取决于几个因素。当前在伤口愈合方面的等离子体应用必须在临床实践中得到巩固，并通过随机对照试验（RCT）最终证明其在实际治疗中的价值和成本效益。基于这样的积极经验，医生们将定义出可能利用等离子体技术解决的进一步的临床需求。这需要通过持续的基础研究努力来加深对生物等离子体效应机制的理解，这些理解可以转化为具体的医学应用。最后，等离子体物理学和技术是需要的，以改进和优化等离子体设备，以满足医学应用的特定需求，例如，更大的电极布局，以便一次性治疗更大的伤口或皮肤表面，或者将等离子体设备与合适的伤口敷料结合使用。最后但同样重要的是，治疗性等离子体应用必须成为医疗护理指南的一部分，以将等离子体医学融入合理的治疗概念中。在德国，一个关于“冷物理等离子体的合理治疗用途”的指南项目已于2018年启动。

四、等离子体医学基础研究的实际挑战

根据目前的知识状态，生物等离子体效应主要基于活性氧和氮物种（ROS, RNS）的作用，这些物质由CAP影响产生并转移到（液体）细胞和组织环境中。这些活性物质是在等离子体内部产生的，或者是等离子体与接触等离子体的介质（如周围空气、液体或表面）相互作用的结果。在这些复杂的相互作用中，等离子体产生的电场以及（V）紫外线辐射具有辅助功能。所有用于生物医学应用的等离子体源都在大气条件下工作，或使用环境空气作为工作气体。因此，从空气中的氧气和氮气产生ROS和RNS是所有这些等离子体源的共同特征。仅仅是等离子体产生的ROS和RNS的组成和数量取决于特定的物理和技术等离子体源和设备参数，如工作气体组成、功率输入或温度。已经证明，医学上相关的等离子体效应，如刺激组织再生或灭活癌细胞，是基于刺激或操纵红ox控制的细胞过程。因此，等离子体医学可以被视为应用红ox生物学的领域。

详细了解生物等离子体效应的机制不仅对于阐明等离子体医学的基本科学原理是必要的，而且对于控制和监测治疗性CAP应用以及最终为医学应用进一步开发和优化CAP设备也是必要的。目前还没有最终明确，如果有的话，单个等离子体产生的ROS和RNS在多大程度上对特定的生物效应负责。回答这个问题可能是进一步优化通过“可调”等离子体设备的CAP治疗的先决条件。通过改变诸如进气成分或输入功率等参数，可以在CAP支持的治疗过程中允许不同的效果。例如，在慢性伤口愈合中，一开始可能是增强的抗菌效果，随后是在治疗过程中加强的组织再生刺激。在一项使用名为等离子体针的火炬状等离子体设备的动物伤口愈合研究中，通过氩气和氦气等离子体的连续处理实现了凝固和随后的伤口闭合刺激。分子气体（N2, O2）的混合物和工作气体氩气的湿度变化对哺乳动物细胞的代谢活动有不同的影响，但没有改变CAP在体外的致突变潜力。在另一项研究中，评估了不同效果的等离子体诱导的血小板激活对血液凝固的影响。通过一个射频驱动的大气等离子体射流，可以通过不同的工作气体氦气与O2或改变气体湿度的混合物来修改促凋亡抗癌效果。通过一个特别设计的气体屏蔽装置，改变N2/O2混合物到氩等离子体射流中，可以调节活性物种的组成，从而对微生物和哺乳动物细胞的生存能力产生不同的影响。更深入地结合这些体外细胞处理结果与等离子体诊断和细胞效应分子机制的更详细调查，应该允许将来将等离子体治疗参数适应于治疗的特殊需求。

关于研究等离子体成分的修改，特别是考虑到ROS和RNS，另一个问题必须更加强烈地考虑，即被治疗目标对等离子体成分的可能反馈效应。目标的导电性会影响等离子体的性质。这并不令人惊讶，因为等离子体具有导电特性。此外，有一些证据表明，生物目标微环境的其他特征，如湿度以及化学成分，也可能影响等离子体。当前的研究努力必须更多地集中在这些等离子体-目标相互作用方面，以找出这是否会以及在多大程度上影响治疗效果，因为活体组织是一个其特征可能根据几个影响因素而变化的目标。因此，基础研究中一个必须的目标是定义一个尽可能代表性的目标，用于“校准”等离子体设备并比较其性能特征。

另一个非常重要的研究问题是等离子体在屏障层如表皮作为保护性皮肤层以及更深层组织中的深度有效性。使用体外培养的全厚度皮肤活检，可以检测到等离子体诱导的皮肤细胞增殖刺激发生在外皮（表皮）最深的细胞层——基底层，该层平均厚度为50-200μm，并由渗透性较差的角质层在表面保护。正如之前提到的，在肿瘤块模型中，实验上证明了癌细胞的灭活深度可达40μm，并且通过小鼠的经皮等离子体处理，证明了皮下肿瘤异种移植物体积的减小。由于等离子体的扩散特性类似于气体，等离子体本身或其流出物直接穿透到更深的细胞层以实现直接的等离子体-细胞相互作用应该是不太可能的。一方面，任何深度有效性可能基于ROS和RNS通过几个细胞层的扩散，这可以被物理等离子体组分如电场加速。由于它们的反应性以及在活体组织中有几个有机反应伙伴的可用性，必须考虑到非常复杂的反应化学，包括产生二级和三级ROS和RNS。到目前为止，许多研究集中在等离子体-液体相互作用上，作为对活体组织的首个简单方法，考虑到组织环境中的细胞被水性细胞外环境包围。最近，基于细胞膜模型、凝胶基础模型和使用活体组织体外模型，对等离子体产生的活性物质的渗透和扩散进行了更详细的研究。还应该考虑到，反应性较低的（因此更稳定的）物质可能会在更长的距离上扩散，并可能在某些特定的pH微环境中产生更具反应性和短寿命的物质。解释深层组织中等离子体效应的另一种可能性是细胞间通讯，通过上层细胞释放的信号分子传递特定的生物信号，引发组织环境中的接力反应链。

然而，深入了解这些复杂相互作用的主要挑战在于ROS和RNS，因为它们的反应性和由此产生的短寿命很难在液体相和组织层中检测到。因此，关于等离子体-液体相互作用以及CAP及其活性化合物在组织中的传播的研究不仅必须基于化学分析，还必须显著依赖于等离子体及其与液体和组织相互作用的建模。

五、医疗应用的等离子体设备：当前状态与挑战

临床上应用的医用等离子体设备包括由氩气驱动的高频等离子射流kINPen® MED（neoplas工具有限公司，德国格赖夫斯瓦尔德），氩气驱动的微波等离子火炬SteriPlas（ADTEC公司，英国亨斯洛），以及基于介质阻挡放电（DBD）的设备，PlasmaDerm®（CINOGY有限公司，德国杜德斯塔特）和plasma care®（terraplasma医疗有限公司，德国加尔兴），后两者使用大气空气作为工作气体。这些设备的特定用途是治疗慢性伤口以及与病原体相关的皮肤疾病。除了根据欧洲理事会指令93/42/EEC获得欧洲合格认证（CE）作为IIa类医疗设备外，所有这些设备都通过相应的等离子体源的全面物理和生物学特性以及详细的临床前和临床研究而脱颖而出。这一点值得指出，因为市场上还有其他一些设备声称对“等离子体医学”有用，但没有任何或非常不充分的物理、技术、生物学或临床参考资料来证明这一点。

因此，在未来几年内，有必要为在医疗领域应用的等离子体设备建立更好的规范和系统化。首先，需要更好地区分CAP设备和其他基于等离子体的医疗设备。以下类别可能有助于增加一些秩序：

冷大气压力等离子体（CAP）设备，它们在直接接触或接近待治疗目标（如伤口、皮肤等）的地方产生等离子体，治疗部位的温度低于40°C。这适用于上述提到的CAP设备。

使用等离子体产生气体或气体混合物以用于治疗的设备，例如一氧化氮（NO）或臭氧（O₃）。

电外科等离子体设备用于血液凝固、烧灼、组织消融和切割，其效果主要基于热影响。

在等离子体设备应用方面，最重要的技术缺点是当前无法控制和监测等离子体性能的参数或参数集，这可以作为一种“剂量”使用，就像在光疗、放射治疗或激光治疗中使用的那样。根据目前的知识水平，生物CAP效应是等离子体组分与活体组织的结构和组分复杂相互作用的结果，其中活性氧和氮物种（ROS, RNS）起主导作用，并由（V）UV辐射和电场支持。到目前为止，还未能明确识别出可以与特定的生物效应或治疗效果分别相关联的单一组分或等离子体参数。因此，等离子体对生物实验以及治疗应用的影响通常是通过治疗时间和/或向设备供应的能量来控制的。由于正在研究或在医疗应用中的CAP设备的不同技术设置，这必须针对每个设备特别定义，且无法推广到一般情况。确定和定义这样一个或一组用于独立于设备的生物等离子体效力控制的参数可能是等离子体医学临床前研究中最大的挑战。

与此同时，不同CAP设备之间的初步但可行的可比性可能基于用于基本表征CAP性能的测试小组。德国DIN SPEC 91315标准“医学中 plasma 源的一般要求”给出了这样一个测试小组的首份提案。作为物理评价标准，提出了等离子体/气体温度、热输出、发射光谱和200至900纳米范围内的辐照度测量、电流流量（患者漏电流）以及气体排放。生物学评价标准包括体外测定特定微生物的灭活以及对真核细胞培养物的活性测试。此外，还建议检测由CAP处理水溶液产生的化学物种，以大致评估等离子体设备产生的ROS和RNS的组成和程度。DIN SPEC 91315推荐的结合物理、生物和化学测试是进一步标准化医疗应用等离子体源的第一步。这个测试小组评估了它们的有效性，并为用户提供（研究人员、患者和治疗师）提供了一些关于安全性的信息。提高体外等离子体特征的另一种方法是确定一个代表人体的技术目标，以识别等离子体-目标相互作用及其对等离子体特性的影响。为了更详细地表征CAP的生化反应性以估计生物效应，可以使用生物相关的示踪物质，如半胱氨酸或血红蛋白。总体而言，所有这些努力的目标是尽可能广泛而有效地表征CAP设备，以评估它们预期的生物学效果，无论是从治疗效果还是安全性来看。最终，这样的标准化也将促进实验结果转化为医疗设备的工业开发，用于等离子体医学。在未来几年内，必须制定一个基于共识的国际标准，使这种基本的特征成为强制性的。

在设计和开发CAP设备的领域中，另一个持续的挑战是使它们适应特定医疗应用的需求。目前，获得医疗应用认证的CAP设备倾向于应用于身体表面（伤口、病理改变的皮肤区域）。特别是在伤口愈合方面，需要治疗较大的表面积。平面和平坦的DBD电极布局可以设计成完全覆盖这些区域。商业上可用的一个例子是PlasmaDerm Dress系统（CINOGY GmbH, 杜德斯塔特， 德国）。大面积治疗也可以通过等离子体射流阵列来实现。点状等离子体射流必须在待治疗表面上移动，这可以通过自动化系统来支持。

随着等离子体技术进一步普及到医疗应用中，预计需要将等离子体设备适配到更具体的应用条件。在眼科领域，类似于用于身体表面的CAP设备可能是可以接受的，可能需要更精确地控制治疗参数，如距离或温度。对于口腔医学中的CAP应用，必须提供定制的等离子体设备，以实现有效和符合人体工程学的等离子体治疗。对于内窥镜应用和微创手术，正在开发导管形状和微型化的等离子体设备。这些应用的主要挑战是保证在小而长的潮湿且通风不良的身体腔室内稳定有效地产生等离子体。对于腹腔镜等离子体设备也可能是如此。此外，对于体内所有这些等离子体应用，必须实现设备的有效导航。

在设计和开发特定医疗应用的等离子体设备时，从一开始就必须考虑到等离子体的产生、监测和控制的复杂性以及医学中特定的应用条件和需求。大多数CAP设备的关键特性必须在首次体内测试之前最好就能被识别和优化，这使得CAP设备的研究和发展在等离子体医学中成为一个独特且极其重要的领域（图2.）。

图2 在开发和优化用于特定应用的医疗用CAP设备之前，必须考虑的一些最重要的方面是体内应用。

通常，对于临床研究，等离子体设备必须根据各自国家的医疗设备法规获得医疗设备的批准。对于正在开发的等离子体设备，所有关于技术和生物安全性测试以及临床前评估的产品要求，以及确保根据相应医疗设备法规保护受试者安全的具体职业安全和事故预防措施都必须得到满足。

六、特殊领域：等离子体处理过的液体

或多或少作为对生命体系等离子体效应基础研究的结果，以及对液态细胞环境作为等离子体产生物种的“转移相”角色的理解，等离子体医学的一个分支产生了：使用等离子体处理过的液体，这些液体通常被称为等离子体“激活”的液体，例如等离子体激活水（PAW）或等离子体激活培养基（PAM）。然而，即使“激活”这个词听起来有点“神奇”，应尽可能避免使用，但毫无疑问，等离子体处理液体通常会导致其生物特性的改变。这一现象首先通过简单的水性液体（如水或生理盐水）证明，这些液体经CAP处理后变得具有抗微生物效果。此外，对更复杂的液体（如细胞培养基）的等离子体处理也证明了其对哺乳动物细胞不同特性的有效性，包括其灭活癌细胞的能力。有时，这种使用等离子体处理液体的应用被称为“间接”等离子体应用，因为生物目标（微生物、细胞、组织）在等离子体处理期间并不直接存在，而是暴露于等离子体处理过的液体中。到目前为止，大量实验已经证明，等离子体处理液体的效果主要基于相对长寿命的ROS和RNS的活性。与直接等离子体应用相比，使用等离子体处理液体的最重要区别是可以避免UV辐射或电场对生物目标的直接影响。同时，这类等离子体处理液体的生物有效性已得到良好证明，其重点在于其杀灭微生物和癌细胞的能力。尽管有这些实验发现及其对几种生物和医疗应用的预估，它们的实际实用价值仍需澄清。其中一个选项是将其用作消毒剂或防腐剂。因此，还必须证明与传统液体消毒剂和防腐剂相比的明显优势，同时也要考虑经济因素。然而，一个非常有前景的应用是在腹腔内扩散性肿瘤的情况下使用等离子体处理液体进行腹腔冲洗，这是腹膜内腹部癌症转移的结果。由于其在腹腔内的扩散，既不能通过外科手术切除，也不能通过放疗治疗，而使用化疗药物进行冲洗会引起严重的副作用。首批非常令人鼓舞的动物研究证实了使用等离子体处理液体的治疗效果。然而，在可能进行临床应用之前，还需要进行更多的研究。其中一个关键问题是从监管角度对这类等离子体处理液体进行分类。

为了有效应用，例如用于与高温腹腔内化疗（HIPEC）相当的腹腔内冲洗，需要几升的等离子体处理液体。以前的实验大多基于最多几毫升的小体积。因此，如何有效和经济地处理更大体积液体是一个待解决的问题。也可以通过冷藏存储较小体积的等离子体处理液体，并在应用前将其汇集起来，因为已经证明等离子体处理液体可以在较低温度下稳定。

尽管还有几个未解决的问题，但液体的等离子体处理以生成、修改或稳定生物有效成分可能会开辟一个非常有趣的CAP应用领域，可以称之为“等离子体药房”，以区别于直接应用CAP进行治疗目的的等离子体医学。

七、等离子体在化妆品中的应用：暮光之城还是有前途的应用领域？

等离子体在医学特别是皮肤科的持续成功和应用可见度，也对化妆品领域产生了越来越大的吸引力。在世界范围内，有大量的提议通过互联网提供等离子体应用的有希望的效果，用于矫正治疗和皮肤改善，其中一些明确提到了等离子体医学。然而，到目前为止，这个领域似乎非常不明朗，实际上并没有真正的规范，并且只有很少的系统研究支持。因此，对于等离子体医学界来说，监管这一特殊的等离子体应用领域应该是一个重要任务，以了解等离子体医学的经验在哪里可以用于化妆品应用，同时也要界定哪里需要划分界限，以避免对等离子体医学产生有害后果。

如同在等离子体医学中一样，在化妆品应用中，等离子体也是直接用于人体。此外，等离子体处理过的液体在化妆品中的应用想法也存在。主要的区别可能是等离子体应用的意图。根据美国联邦食品、药品和化妆品法（FD&C Act），化妆品被定义为“意图涂抹、倒、洒或喷洒在人体上、引入人体内部或以其他方式应用于人体……用于清洁、美化、促进吸引力或改变外观的物品”[FD&C Act, sec. 201(i)]。此外，美国食品和药物管理局将化妆品设备定义为“用于改善外观且不提供任何健康益处的设备”。

然而，人们必须意识到决定什么是“健康益处”并不那么容易和清晰，而且在“治疗用途”（如等离子体医疗设备所意图的）和“改善外观”（如等离子体美容设备所应意图的）之间存在平滑过渡。简化这种区别的第一种方法可能是声明，等离子体医疗应用针对的是受损的皮肤和更深的组织层，而化妆品应用则针对的是或多或少完整的皮肤和体表或限于上层真皮层（见图3）。

图3.通过治疗目标初步区分等离子体医学和等离子体化妆品；医学和化妆品治疗之间可能存在一些重叠。

然而，这个定义不能太严格，因为一些在完整皮肤上的等离子体应用可能有医疗指示（例如，皮肤消毒和防腐），而一些声称为化妆品的应用影响受损皮肤（例如，痤疮治疗）。此外，毫无疑问，一些化妆品治疗也有治疗效果（例如，从心理学角度来看），而初级医疗疗法可能具有美容效果。仅仅是这些简短的评论应该表明，严格分离等离子体医学和等离子体化妆品并不容易，可能是不可能的。因此，最好的方式应该是协调这两个领域的等离子体应用，使其在这里和那里都能成功，并避免最终对患者和顾客不利的冲突。2019年11月，在法国奥尔良举行了第一届国际等离子体化妆品科学会议（IMPCS-1），会议强调了为化妆品中的等离子体应用建立强大科学基础的重要性（http://www.lestudium-ias.com/event/international-meeting-plasma-cosmetic-science）。

等离子体在化妆品中的协调应用的第一步必须是系统化地整理化妆品等离子体设备及其预期用途，类似于等离子体医学中所需的方式。等离子体处理在化妆品指示中的一个重要领域集中在皮肤紧致、去除皱纹、面部和身体提升、皮肤再生、眼睑成形术（眼皮紧致）等方面。据我们所知，这些等离子体效果主要基于热影响。描述和研究最多的用于美容和审美应用的等离子体设备是基于氮气的类喷射Portrait® PSR3系统。它主要用于皮肤再生。其效果基于通过等离子体应用将能量快速传递给皮肤表面，导致即时加热以受控、均匀的方式，对组织或表皮没有爆炸性影响。没有组织汽化发生。如今，几种等离子体美容应用基于类似针状的设备，其中在针尖和皮肤之间产生电弧，导致皮肤表层液体的“升华”，避免热量传递到相邻组织区域。这种治疗的直接结果是皮肤上出现黑斑，这是组织碳化的结果，在接下来的几天内会消失。这些设备的主要应用领域也是眼睑成形术和皮肤紧致。即使有人声称与相同指示的激光应用相比，组织加热大大减少，但必须指出的是，任何提到等离子体医学的内容，特别是关于安全性的，都是不合理的，因为几乎所有近期的等离子体医学研究都基于非热等离子体细胞和等离子体-组织相互作用。此外，如果考虑到医疗等离子体应用所要求的高安全标准，那么允许非医疗人员在纯粹的化妆品环境中进行此类操作，特别是在眼睛附近使用此类电弧设备，似乎真的很奇怪。在这里，人体上的等离子体应用似乎存在一个“暮光区”，应该受到更多规范和限制。否则，随着等离子体设备在化妆品领域的持续非批判性应用，并直接提及等离子体医学，任何负面事件都可能给医疗等离子体应用带来不良影响。

除了对这些基于热影响的化妆品等离子体设备进行更严格的调查和可能的监管外，未来几年的研究还应该有一个额外的目标，那就是决定CAP在多大程度上对化妆品应用有用。有一份关于基于DBD的CAP设备用于痤疮治疗和审美皮肤改善的临床测试报告。然而，正如之前讨论的那样，必须决定痤疮治疗是医疗还是化妆品指示。

有时在包括CAP应用在内的复杂化妆品治疗程序中提到的另一个效果是其潜在的增强皮肤渗透性和增强物质穿透角质层这一非常强大的屏障层进入更深的皮肤层的能力。尽管这些实验数据可能为CAP在化妆品中的应用开辟了一个有希望的领域，但其在活体中的可用性尚未得到证明，因为关于这一效果在活体皮肤上的数据很少。最重要的是，需要进行更多的研究来确定CAP皮肤渗透性的确切机制、它对特定等离子体参数的依赖性以及它在分子或颗粒的其他特性如大小或亲水性/疏水性方面的局限性。

八、摘要结论与展望

2012年4月，在德国格赖夫斯瓦尔德举办了一次“临床等离子体医学概念”研讨会，当时活跃在等离子体医学领域的所有德国研究小组都参与了此次会议。在会后达成的共识文件中指出，基于当时的临床研究现状，等离子体治疗在皮肤科以及整形和美容外科方面最有成功前景，而抗菌等离子体效果、等离子体支持的组织再生刺激以及调节炎症的等离子体效果将成为治疗指征的焦点。因此，作为首批有前景的应用领域，确定了以治疗慢性伤口、感染性皮肤病和皮炎的处理为重点的愈合过程支持。然而，今天回顾起来，这个预测或多或少已经实现。冷大气等离子体正在走向临床常规。首批CAP设备已获得CE认证，作为IIa类医疗设备用于治疗慢性伤口以及基于病原体的皮肤病。基于这一成功故事，额外的医疗CAP应用正在研究中，而癌症治疗中的等离子体应用是最有前景但也最具挑战性的领域。要将等离子体医学确立为临床实践的一部分，临床研究和实验室基础研究之间的紧密合作至关重要。为了更好理解并最终控制和优化医疗用等离子体应用，持续的生物学研究必须与等离子体设备技术的不断改进并行进行。

与此相关的一个关键任务是国际上统一方法和标准，以表征等离子体设备的物理和技术参数以及它们的生物性能特征，以便更好地进行比较。国际标准化被认为是触发工业兴趣并随后允许等离子体设备在医学中取得更大突破的重要刺激。

如今，我们拥有的CAP设备或多或少是“静态”的，它们使用固定设置的工作参数，如输入功率和工作气体。医疗治疗主要通过治疗时间来控制。目前还没有考虑到反馈机制，无论是由于目标变化引起的等离子体参数变化，还是作为等离子体治疗结果的生物效应。

因此，下一个重要步骤应该是将CAP治疗设备升级为治疗系统，不仅包括产生CAP的设备，还包括用于连续和实时监控等离子体性能和被治疗目标的技术单元（见图4）。

图 4. 集成的基于CAP的治疗系统的示意图，包括等离子体处理设备、等离子体监测和目标监测单元，以及等离子体治疗的反馈控制单元。

在这样一个集成治疗系统中，等离子体处理单元应根据治疗的实际需求进行控制。任何等离子体参数的变化都应基于对设备的电气参数和等离子体本身的持续监测来进行调整。此外，这些信号也可能被用来获取有关目标在等离子体治疗过程中或由等离子体治疗引起的变化的信息。对于不同的等离子体生成技术（如DBD、等离子体射流），必须开发可变且特定适应的解决方案以实现此类反馈调节。

除了这种面向设备的控制之外，创新的面向目标的控制将有助于优化基于CAP的医疗治疗。目前，CAP治疗在没有任何可能性记录是否有足够的等离子体-组织相互作用来实现预期的医疗效果的情况下进行。目前，已经首次尝试通过高光谱成像技术可视化即时和短期的生理效应，特别是由复杂的等离子体-组织相互作用产生的血流动力学参数。下一步将是使用更复杂的光谱学方法来可视化分子组织层面上的生化效应，这将基于还原氧化过程在等离子体-组织相互作用中的主导作用。

实现这样一个集成的CAP治疗系统需要开发紧凑型和微型化的工具，用于设备、等离子体和目标监测，以装备临床可用的CAP设备。将这些不同的信号汇集到一个数据处理和控制单元中，应得到直接的反馈调节结果。在这里，必须使用机器学习和人工智能的创新方法来实现如此复杂的数据分析、数据处理和反馈调节。最终，作为这样一个CAP治疗系统的最先进版本，它将成为精确的基于数据的CAP定位和治疗控制的机器人系统的一部分。

目前，关于伤口愈合的分子过程的改进知识也是从一开始等离子体医学强烈科学进展的结果。因此，等离子体医学也能够在其实际研究领域之外创造好处。如果等离子体医学能够使用监测、数据处理、机器学习和机器人技术的创新性技术，这种跨学科的知识增益将通过更紧密的相互联系而加速。

在20世纪，激光是一种物理技术，它非常成功地整合到医学中，创造了自己的医学专业领域，称为激光医学。等离子体有机会重复这种成功整合物理技术到医学中的经历，成为21世纪医学科学和技术发展的前沿。