Platelets are key in cold physical plasma-facilitated blood coagulation in mice

Purpose: Surgical interventions inevitably lead to destruction of blood vessels. This is especially dangerous in anticoagulated patients. Electrocauterization is a frequently used technique to seal incised tissue. However, leading to a superficial layer of necrotic tissue, the treated area evolves a high vulnerability to contact, making it prone to detachment. As a result, dangerous postoperative bleeding may occur. Cold physical plasma was previously suggested as a pro-coagulant treatment method. It mainly acts by expelling a delicate mixture of oxidants. We therefore tested the suitability of an atmospheric pressure plasma jet (kINPen MED) as a new medical device for sufficient blood coagulation in a murine model of liver incision. Methods: Plasma treatment of murine blood ex vivo induced sufficient coagula. This effect did not affect any tested parameter of plasmatic coagulation cascade, suggesting the mechanism to be related to cellular coagulation. Indeed, isolated platelets were significantly activated following exposure to plasma, although this effect was less pronounced in whole blood. To analyze the biological effect of plasma-on blood coagulation in vivo, mice were anticoagulated (clopidogrel inhibiting cellular and rivaroxaban inhibiting plasmatic hemostasis) or received vehicle only. Afterwards, a partial resection of the left lateral liver lobe was performed. The quantification of the blood loss after liver incision followed by treatment with kINPen MED plasma or electrocauterization revealed a similar and significant hemostatic performance in native and rivaroxaban but not clopidogrel-treated animals compared to argon gas-treated controls. In contrast to electrocauterization, kINPen MED plasma treatment did not cause necrotic cell layers. Conclusion: Our results propose a prime importance of platelets in cold physical plasma-mediated hemostasis and suggest a clinical benefit of kINPen MED plasma treatment as coagulation device in liver surgery

Ex vivo- und in vivo-Untersuchungen der Anwendung von nicht-thermischem Plasma zur Blutkoagulation

Die steigende Inzidenz und Prävalenz von Vorhofflimmern mit dem gleichzeitig erhöhten Risiko thrombembolischer Ereignisse macht eine Antikoagulation in einer immer größer werdenden Population nötig [1-3]. Das intraoperative Blutungsmanagement stellt bei Patienten, welche eine Antikoagulation erhalten, eine Schwierigkeit dar [4, 5]. Insbesondere für die direkten oralen Antikoagulantien sind Antidote häufig nicht verfügbar oder kostenintensiv [6, 7]. Die aktuell verwendete elektrische Kauterisation geht mit dem Risiko der Bildung von Nekrosen einher, welche unter Umständen zu Nachblutungen, Strikturen oder Perforationen führen können [8, 9]. Dies untermauert den Bedarf an neuen sicheren Techniken zur intraoperativen Hämostase. Eine mögliche Alternative scheint nicht-thermisches Plasma darzustellen [10]. Dies ist ein energiereiches Gas, welches eine Reihe reaktiver Komponenten enthält und eine gewebeschonende Anwendung am Menschen ermöglicht [11]. In der vorliegenden Arbeit wurde demonstriert, dass nicht-thermisches Plasma des gut charakterisierten kINPen MEDs [11] ex vivo eine Blutkoagulation im murinen Blut induzieren kann. Hierbei spielt vor allem die direkte Aktivierung der Thrombozyten eine Rolle. Nachweise der plasmatischen Gerinnung konnten ex vivo nicht gezeigt werden. Während einer murinen Leberteilresektion wurde in der vorliegenden Arbeit in nativen und Rivaroxaban-antikoagulierten Tieren eine suffiziente Blutungskontrolle durch nicht-thermisches Plasma erzielt, welche mit der elektrischen Kauterisation vergleichbar war. Weiterhin war das nicht-thermische Plasma der elektrischen Kauterisation dahingehend überlegen, als dass es zu keiner akuten Schädigung des umliegenden Gewebes und keiner zeitversetzten Nachblutung geführt hat. Die histologischen Analysen der mit nicht-thermischem Plasma behandelten Wunden zeigten die Ausbildung eines Blutkoagulums, welches am ehesten der natürlichen Koagulation entsprach. Nach Inhibition der Thrombozyten-Funktion durch Clopidogrel war das nicht-thermische Plasma in vivo nicht in der Lage, eine suffiziente Hämostase zu induzieren. Daher konnten die Thrombozyten auch in vivo als wichtige Regulatoren der durch nicht-thermisches Plasma vermittelten Hämostase herausgearbeitet werden. Auf der Basis einer ausführlichen Literaturrecherche wurde weiterhin die Hypothese aufgestellt, dass vor allem Reduktions-Oxidations-Reaktionen an der durch nicht-thermisches Plasma induzierten Blutkoagulation beteiligt sind. In folgenden Arbeiten sollte darauf hingearbeitet werden, den Mechanismus weiter zu verstehen und effizienter zu gestalten, um dieser Methode einen Einsatz in der Zukunft der Medizin zu ermöglichen.The increasing incidence of atrial fibrillation and the risk of thromboembolic events demand anticoagulation in a growing population [1-3]. The management of intraoperative bleeding is further complicated due to anticoagulation [4, 5]. Especially for the new oral anticoagulants antidotes are rare or extremely expensive [6, 7]. The currently used electric cauterization bears the risk of necrotic damage, which can lead to rebleeding, strictures or perforations [8, 9]. This underlines the need of new techniques for intraoperative blood coagulation. Non- thermal plasma seems to be an alternative method [10]. This energy-rich gas embodies loads of reactive components and enables a tissue tolerable application in humans [11]. This work demonstrates that non-thermal plasma generated by the kINPen MED [11] can lead to an ex vivo blood coagulation in murine blood. A direct activation of platelets seems to be of inevitable importance. An activation of the plasmatic hemostasis could not be shown ex vivo. During in vivo studies it could be shown that non-thermal plasma can lead to a sufficient bleeding control in native and Rivaroxaban anticoagulated mice after partial liver resection. This bleeding control was comparable to electric cauterization. To some extent non-thermal plasma was even superior to electric cauterization, as it did not lead to direct tissue destruction and rebleeding. The histological analysis of non-thermal plasma treated resection areas attests a blood coagulation which is analogue to natural coagulation. Non-thermal plasma could not lead to a sufficient blood coagulation in vivo after platelet inhibition by clopidogrel. Hence, platelets seem to be relevant for non-thermal plasma induced blood coagulation in vivo as well. On basis of the literature research, reactive oxygen and nitrogen species seem to be of most importance for non-thermal plasma induced blood coagulation. Future research needs to elucidate the mechanisms in detail, shape it to be more efficient and pioneer this method in future medicine