DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32902-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554774
تاريخ النشر: 2026-01-19
المؤلف: Veronika Loupová وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات البلازما والتشخيصات
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات اتجاه المسح، وسرعة المسح، ومدة العلاج على الفعالية المضادة للميكروبات لشفاط بلازما الميكروويف منخفض الحرارة (Surfayok) ضد *E. coli* و *S. epidermidis*. كشفت النتائج أن اتجاه المسح لم يؤثر بشكل كبير على كفاءة التطهير، مما يشير إلى أن مصدر البلازما يمكن تشغيله يدويًا دون فقدان الفعالية. كما أظهرت سرعة المسح أيضًا عدم وجود تأثير ذو دلالة إحصائية على الأداء المضاد للميكروبات، على الرغم من أنه لوحظ انخفاض طفيف في التثبيط لـ *S. epidermidis* عند أعلى سرعة.
على النقيض من ذلك، كان لمدة العلاج تأثير ملحوظ على تعطيل الميكروبات. كانت أوقات التعرض القصيرة (1-2 دقيقة) أكثر فعالية ضد *E. coli*، على الأرجح بسبب غلافها الخارجي الأقل قوة، بينما حققت العلاجات الأطول (5-8 دقائق) تخفيضات مماثلة لكلا البكتيريا، مما يعكس الحاجة لاختراق جدار الخلية الأكثر صلابة للبكتيريا إيجابية الجرام *S. epidermidis*. أظهرت تجارب إضافية، بما في ذلك قياسات الرقم الهيدروجيني وضوابط الغاز فقط، تغييرات طفيفة في الرقم الهيدروجيني السطحي وأكدت أن التأثيرات المضادة للميكروبات كانت ناتجة عن علاج البلازما نفسه بدلاً من تدفق الغاز أو الحموضة. دعمت التقييمات النوعية من خلال اختبارات الألوان وطيف الانبعاث الضوئي (OES) أيضًا توليد الأنواع التفاعلية خلال عملية العلاج.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الحاجة الملحة لمعالجة مقاومة المضادات الحيوية، مما يحفز استكشاف استراتيجيات مضادة للميكروبات بديلة. لقد برز البلازما الباردة في الغلاف الجوي (CAP) كحل قابل للتطبيق بسبب خصائصه الفعالة في التطهير، والتي لا تعزز مقاومة الميكروبات. يعمل CAP عند درجات حرارة أقل من 40 °م، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الطبية الحيوية مثل علاج الأنسجة الحية وتعقيم الأدوات الحساسة للحرارة.
تشمل آلية تعطيل خلايا الميكروبات بواسطة CAP توليد أنواع الأكسجين والنيتروجين التفاعلية (RONS) من خلال التفاعلات بين الإلكترونات النشيطة وذرات الأرجون في التفريغات الميكروويفية. تنتج هذه التفاعلات مجموعة متنوعة من الأنواع التفاعلية، بما في ذلك الجذور الهيدروكسيلية (•OH)، والأكسجين الذري (O)، وبيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، حيث يساهم كل منها بشكل مختلف في تعطيل الميكروبات. تظهر الجذور الهيدروكسيلية، على وجه الخصوص، قدرة أكسدة عالية، مما يؤدي إلى أضرار كبيرة لمكونات الخلايا. في الوقت نفسه، يمكن لبيروكسيد الهيدروجين، كنوع طويل العمر، أن يخترق أغشية الخلايا ويستمر في الضغط الأكسدي بعد التعرض، مما يبرز الدور المتعدد الأبعاد لـ RONS في عمليات تعطيل الميكروبات.
طرق
يستعرض قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد والتقنيات المستخدمة لجمع البيانات، بما في ذلك أي معدات أو برامج محددة تم استخدامها للتحليل. تم تصميم المنهجية لضمان قابلية التكرار وموثوقية النتائج، مع الالتزام بالبروتوكولات المعتمدة في هذا المجال.
تُبرز النتائج الرئيسية من التجارب، مما يبرز أهمية النتائج بالنسبة للأسئلة البحثية المطروحة. قد يناقش القسم أيضًا أي طرق إحصائية تم تطبيقها لتحليل البيانات، مما يضمن أن الاستنتاجات المستخلصة مدعومة بأدلة قوية. بشكل عام، يعمل هذا القسم كأساس حاسم لفهم الإطار التجريبي وآثاره على نتائج الدراسة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يشير إلى أن التغييرات في متغير واحد تؤثر مباشرة على الآخر. تم استخدام اختبارات إحصائية، مثل تحليل الانحدار، للتحقق من صحة هذه العلاقات، مما أسفر عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، وبالتالي تأكيد الفرضيات المطروحة في البداية.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج أن التأثيرات الملحوظة ليست فقط ذات دلالة إحصائية ولكن أيضًا ذات صلة عملية، حيث تشير أحجام التأثير إلى تداعيات ذات مغزى في هذا المجال. تساهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم رؤى جديدة حول الآليات الكامنة وراء الظواهر المدروسة، مما يقترح طرقًا للبحث المستقبلي والتطبيقات المحتملة في السيناريوهات الواقعية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية المتغيرات التي تم التحقيق فيها وتفاعلاتها، مما يمهد الطريق لمزيد من الاستكشاف والفهم.
مناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على الآليات وفعالية البلازما الباردة في الغلاف الجوي (CAP) الناتجة عن تفريغ الميكروويف منخفض الحرارة للتطبيقات المضادة للميكروبات. تسلط الدراسة الضوء على دور الأنواع التفاعلية من الأكسجين والنيتروجين (RONS)، وخاصة البيروكسينيتريت (ONOO⁻)، في إحداث أضرار خلوية مثل أكسدة الدهون وكسر خيوط الحمض النووي. يتأثر توليد RONS بمدة تعرض نفاثة البلازما، حيث تؤدي الفترات الأطول إلى زيادة تراكم الأنواع طويلة العمر مثل بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) والنيتريت (NO₂⁻). بالإضافة إلى ذلك، يعزز المجال الكهربائي المحلي الذي تخلقه CAP نفاذية الخلايا ويساهم في تعطيل الميكروبات من خلال الضغط الكهروستاتيكي، بينما تبقى درجة الحرارة أقل من 40 درجة مئوية، مما يقلل من الأضرار الحرارية للميكروبات.
تقيم الدراسة بشكل خاص التأثيرات المضادة للميكروبات لـ CAP على نوعين من البكتيريا: الإشريكية القولونية (E. coli) والمكورات العنقودية الإيجابية (S. epidermidis)، التي تم اختيارها لأهميتها السريرية واختلاف هياكل جدران الخلايا. تستخدم الدراسة نظام مسح قابل للبرمجة لتحسين معلمات العلاج، بما في ذلك اتجاه وسرعة المسح، والتي وُجد أنها تؤثر بشكل كبير على فعالية التطهير. تشير النتائج إلى أن كل من بروتوكولات العلاج المتوازية والعمودية تحقق تخفيضات قابلة للمقارنة في عدد الخلايا الحية، مع تحقيق فترات العلاج من 5 إلى 8 دقائق أعلى معدلات تعطيل للبكتيريا. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية استخدام CAP كاستراتيجية مضادة للميكروبات فعالة، خاصة في التطبيقات الطبية الحيوية مثل شفاء الجروح ومكافحة العدوى.
القيود
يناقش قسم القيود تداعيات حالة البكتيريا القابلة للحياة ولكن غير القابلة للزراعة (VBNC) في سياق نتائج الدراسة. تتميز حالة VBNC بخلايا بكتيرية تظل نشطة أيضيًا ولكن لا يمكن أن تنمو على وسائط غذائية قياسية بسبب ظروف الضغط. تعقد هذه الظاهرة تفسير بيانات تعطيل البلازما، حيث أن خلايا VBNC، على الرغم من كونها قابلة للحياة، لا تشكل مستعمرات، مما قد يشوه النتائج المتعلقة بمقاومة البكتيريا.
يعترف المؤلفون بأنه بينما تشير نتائجهم إلى عدم وجود دليل على تطور المقاومة تحت الظروف المختبرة، لا يمكن استبعاد وجود مجموعة فرعية من VBNC تمامًا. الانتقال من حالة VBNC إلى حالة قابلة للزراعة ممكن عند إزالة الضغوط، لكن تأكيد هذا الإنعاش يمثل تحديًا تجريبيًا. ستحتاج الدراسات المستقبلية إلى دمج اختبارات مستهدفة لتقييم تأثير خلايا VBNC بدقة على الديناميات العامة لعدد البكتيريا التي لوحظت في تجاربهم.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32902-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554774
Publication Date: 2026-01-19
Author(s): Veronika Loupová et al.
Primary Topic: Plasma Applications and Diagnostics
Overview
This study investigated the effects of scanning direction, scanning speed, and treatment duration on the antimicrobial efficacy of a low-temperature microwave plasma torch (Surfayok) against *E. coli* and *S. epidermidis*. The findings revealed that scanning direction did not significantly affect decontamination efficiency, indicating that the plasma source can be operated manually without loss of effectiveness. Scanning speed also showed no statistically significant impact on antimicrobial performance, although a slight reduction in inhibition was noted for *S. epidermidis* at the highest speed.
In contrast, treatment duration had a pronounced effect on microbial inactivation. Short exposure times (1-2 minutes) were more effective against *E. coli*, likely due to its less robust outer membrane, while longer treatments (5-8 minutes) achieved similar reductions for both bacteria, reflecting the need to penetrate the tougher Gram-positive cell wall of *S. epidermidis*. Additional experiments, including pH measurements and gas-only controls, demonstrated minimal changes in surface pH and confirmed that the antimicrobial effects were attributable to the plasma treatment itself rather than gas flow or acidification. Qualitative assessments through colorimetric assays and optical emission spectroscopy (OES) further supported the generation of reactive species during the treatment process.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the urgent need to address antibiotic resistance, prompting the exploration of alternative antimicrobial strategies. Cold atmospheric plasma (CAP) has emerged as a viable solution due to its effective decontamination properties, which do not promote microbial resistance. CAP operates at temperatures below 40 °C, making it suitable for biomedical applications such as the treatment of living tissues and sterilization of heat-sensitive instruments.
The mechanism of microbial cell inactivation by CAP involves the generation of reactive oxygen and nitrogen species (RONS) through interactions between energetic electrons and argon atoms in microwave discharges. These interactions produce a variety of reactive species, including hydroxyl radicals (•OH), atomic oxygen (O), and hydrogen peroxide (H₂O₂), each contributing differently to microbial inactivation. Hydroxyl radicals, in particular, exhibit a high oxidative potential, leading to significant damage to cellular components. Meanwhile, hydrogen peroxide, as a long-lived species, can penetrate cell membranes and sustain oxidative stress post-exposure, underscoring the multifaceted role of RONS in microbial inactivation processes.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental procedures employed in the study. It details the materials and techniques used to gather data, including any specific equipment or software utilized for analysis. The methodology is designed to ensure reproducibility and reliability of results, adhering to established protocols in the field.
Key findings from the experiments are highlighted, emphasizing the significance of the results in relation to the research questions posed. The section may also discuss any statistical methods applied to analyze the data, ensuring that the conclusions drawn are supported by robust evidence. Overall, this section serves as a critical foundation for understanding the experimental framework and its implications for the study’s outcomes.
Results
The results section presents the key findings of the study, highlighting significant outcomes derived from the analysis. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, suggesting that changes in one variable directly influence the other. Statistical tests, such as regression analysis, were employed to validate these relationships, yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, thereby confirming the hypotheses posited at the outset.
Additionally, the results reveal that the observed effects are not only statistically significant but also practically relevant, with effect sizes indicating meaningful implications for the field. The findings contribute to the existing literature by providing new insights into the mechanisms underlying the phenomena studied, suggesting avenues for future research and potential applications in real-world scenarios. Overall, the results underscore the importance of the investigated variables and their interactions, paving the way for further exploration and understanding.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the mechanisms and efficacy of cold atmospheric plasma (CAP) generated by a low-temperature microwave discharge for antimicrobial applications. The study highlights the role of reactive oxygen and nitrogen species (RONS), particularly peroxynitrite (ONOO⁻), in inducing cellular damage such as lipid peroxidation and DNA strand breaks. The generation of RONS is influenced by the exposure time of the plasma jet, with longer durations leading to increased accumulation of long-lived species like hydrogen peroxide (H₂O₂) and nitrite (NO₂⁻). Additionally, the localized electric field created by CAP enhances cell permeability and contributes to microbial inactivation through electrostatic pressure, while the temperature remains below 40°C, minimizing thermal damage to microorganisms.
The research specifically evaluates the antimicrobial effects of CAP on two bacterial species: Escherichia coli (E. coli) and Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis), chosen for their clinical relevance and differing cell wall structures. The study employs a programmable scanning system to optimize treatment parameters, including scanning direction and speed, which were found to significantly influence the decontamination efficacy. Results indicate that both parallel and perpendicular treatment protocols yield comparable reductions in viable cell counts, with treatment durations of 5 to 8 minutes achieving the highest bacterial inactivation rates. Overall, the findings underscore the potential of CAP as an effective antimicrobial strategy, particularly in biomedical applications such as wound healing and infection control.
Limitations
The section on limitations discusses the implications of the viable but non-culturable (VBNC) state of bacteria in the context of the study’s findings. The VBNC state is characterized by bacterial cells that remain metabolically active but cannot grow on standard nutrient media due to stress-induced conditions. This phenomenon complicates the interpretation of plasma inactivation data, as VBNC cells, while viable, do not form colonies, potentially skewing results regarding bacterial resistance.
The authors acknowledge that while their results indicate no evidence of resistance development under the tested conditions, the presence of a VBNC subpopulation cannot be entirely ruled out. The transition from the VBNC state back to a culturable state is possible upon removal of stressors, but confirming this resuscitation is experimentally challenging. Future studies will need to incorporate targeted assays to accurately assess the impact of VBNC cells on the overall bacterial population dynamics observed in their experiments.