"โดสพลาสมา”: จากฟิสิกส์ เคมี และผลชีวภาพ สู่(ว่าที่)หน่วยวัดมาตรฐาน

“โดสพลาสมา”:

จากฟิสิกส์ เคมี และผลชีวภาพ สู่(ว่าที่)หน่วยวัดมาตรฐาน

ธีรวรรณ บุญญวรรณ

คำสำคัญ: พลาสมาเย็น, พลาสมาชีววิทยาศาสตร์, อนุมูลไวปฏิกริยา, โดสพลาสมา, ETOP

ถึงวันนี้เราอาจเริ่มคุ้นเคยคำว่า การฉาย/พ่น หรืออาบพลาสมา ซึ่งคือการประยุกต์ใช้งานพลาสมาอุณหภูมิต่ำความดันบรรยากาศ (Cold Atmospheric Plasma; CAP) หรือเรียกสั้นๆว่า พลาสมาเย็น ในการศึกษา/วิจัยทางด้านชีววิทยาศาสตร์ซึ่งมีความครอบคลุมหลากหลายสาขาวิชาทั้ง วัสดุชีวภาพ ชีวการแพทย์ พืช/สัตว์ อาหาร และสิ่งแวดล้อม อันได้ก่อให้เกิดสาขาวิชาเฉพาะ “พลาสมาชีววิทยาศาสตร์” ที่กำลังพัฒนาองค์ความรู้และวิจัย/ทดสอบสู่การเป็นเทคโนโลยีสำคัญอย่างก้าวกระโดด

พลาสมาเย็น (cold plasma) เป็นสถานะพลาสมาอ่อน (weak plasma) มีอุณหภูมิเฉลี่ยของก๊าซพลาสมาไม่เกิน 40 เซลเซียส ซึ่งสามารถผลิตขึ้นได้โดยใช้สนามไฟฟ้ากระแสตรงหรือสลับ ในการให้พลังงานจลน์แก่อิเล็กตรอนอิสระ อนุภาคในพลาสมาเย็นจึงประกอบไปด้วย อิเล็กตรอน ไอออนและอนุมูลของก๊าซพลาสมา และที่สำคัญคือ อนุภาคโฟตอน (photon) ซึ่งครอบคลุมย่านอินฟราเรดถึงยูวี กับอนุมูลไวปฏิกริยาออกซิเจนและไนโตรเจน (reactive Oxygen Nitrogen species: RONS) ได้ถูกผลิตขึ้นโดยตรงด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าอันเป็นเอกลักษณ์สำคัญ รวมถึงความสามารถในการทำอันตรกิริยาทั้งเชิงพื้นที่และปริมาตรได้ดีกับวัสดุชีวภาพ ในเบื้องต้นจึงนิยามให้นับวัดหน่วยโดสพลาสมาพื้นฐาน (basic plasma dose) ซึ่งคือพลังงานไฟฟ้าในหน่วย จูลต่อพื้นที่ (J/cm²) หรือจูลต่อปริมาตรของเหลว (J/ml) เทียบเท่าใกล้เคียงกับการกำหนดมาตรฐาน ANSI Z136.1/.3 การประยุกต์เลเซอร์ (พลังงานจากสนามไฟฟ้าของเลเซอร์) ต่อเนื้อเยื่อ/วัสดุชีวภาพ เนื่องจากกระบวนการทางไฟฟ้าที่ให้พลังงานในการผลิตอนุภาคของพลาสมาเย็นคือสนามไฟฟ้านั่นเอง

หรือว่าหน่วย “จูล” จะเข้าใจยาก/พื้นฐานเกินไป?

ผู้เขียนเองได้เคยนำเสนอเป็นแนวทางปฏิบัติการกำหนดลักษณะเฉพาะของระบบผลิตพลาสมาเย็นไว้ในบทความก่อนนี้ [1] เชื่อมโยงความสัมพันธ์ วิธีผลิตพลาสมาเย็น ชนิดของก๊าซพลาสมา โดส(พลังงาน)พลาสมา ปริมาณอนุภาคพลาสมา ความเข้มข้นอนุมูลเคมี และลักษณะการนำไปใช้งาน นอกเหนือจากที่ได้แสดงข้อมูลเชิงเทคนิคและกำหนดแนวทางการประยุกต์พึงดำเนินการภายใต้การควบคุมดูแลโดยผู้เชี่ยวชาญด้านชีววิทยาศาสตร์ไว้แล้วบ้างก็ตาม

รูปที่ 1 ภาพถ่ายขณะใช้พลาสมาเจ็ทอากาศ Nightingale บำบัดแผลสัตว์โดยสัตวแพทย์ผู้เชี่ยวชาญ

ทว่าในทางปฏิบัติพลาสมาเย็นถูกนำไปใช้ในพลาสมาการแพทย์ (plasma medicine) เป็นหลัก อันจะนับได้ว่าเป็นหนึ่งในการศึกษาวิจัยสหสาขาใหม่ที่ผสมผสานฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยาศาสตร์ และเวชศาสตร์เข้าด้วยกัน การประยุกต์ใช้พลาสมาการแพทย์/ทันตกรรมครอบคลุมทั้งการใช้พลาสมาความดันต่ำในการปลอดจุลชีพวัสดุอุปกรณ์แพทย์ และการใช้พลาสมาเย็นประยุกต์หรือบำบัด (treatment) โดยตรงบนผิวหนังหรือภายในร่างกายมนุษย์ (หรือสัตว์) เพื่อมุ่งผลการรักษาจากอันตรกริยาระหว่างอนุภาคพลาสมากับเนื้อเยื่อชีวภาพ อีกทั้งพลาสมาเย็นสามารถใช้งานได้สะดวกรวดเร็วภายใต้ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิห้องทั่วๆไป ระบบพลาสมาเย็นแรกๆ ที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน CE ให้เป็นอุปกรณ์ชีวการแพทย์ ถูกผลิตเพื่อใช้กับแผลเรื้อรังและโรคผิวหนังจากจุลชีพก่อโรค อาทิ kINPen MED (INP, Greifswald, Germany), SteriPlas (ADTEC, Hunslow, UK) เป็นพลาสมาเจ็ทอาร์กอน, PlasmaDerm (CINOGY GmbH, Duderstadt, Germany) เป็นพลาสมาข้ามฉนวน และ Nightingale® (InnoPlasCM, Chiang Mai, Thailand) [2,3] เป็นพลาสมาเจ็ทอากาศ (รูปที่ 1) อาจกล่าวได้ว่าพลาสมาเย็นกำลังก้าวสู่การนำไปใช้เป็นอุปกรณ์ประจำเวชคลีนิค

สำหรับด้านทันตกรรมยังใช้พลาสมาเย็นทำลายจุลชีพในคลองรากฟัน และการบำบัดการติดจุลชีพในช่องปาก/รากฟันเทียม การศึกษาก่อนคลินิกล่าสุดในการบำบัดมะเร็ง [3] จากผลการวิจัยที่ใช้พลาสมาเย็นต่อสารละลายอิเล็กโทรไลต์ (LRI) สามารถเหนี่ยวนำการตายของเซลล์มะเร็งแบบโปรแกรมได้ (apoptosis) และการศึกษานี้ยังพบว่าเซลล์มะเร็งมีความไวต่ออนุมูลพลาสมาเย็นมากกว่าเซลล์ปกติ จึงเป็นความคาดหวังของผู้ป่วยและแพทย์ต่อเครื่องมือและเทคนิคใหม่ ๆ เพื่อรับมือกับความต้องการทางเวชคลินิกที่เพิ่มสูงขึ้น

รูปที่ 2 ลักษณะการจัดเซนเซอร์วัดองค์ประกอบต่างๆ สำหรับมาตรฐานอุปกรณ์พลาสมาการแพทย์

อนึ่งเพื่อกำหนดนิยามโดสของพลาสมาเย็น ในปี คศ. 2021 Prof. Eun H. Choi แห่งศูนย์ PBRC, มหาวิทยาลัยกวางวุน สาธารณรัฐเกาหลี เพื่อนของผู้เขียนในฐานะตัวแทนรัฐเกาหลีได้นำเสนอมาตรฐานการวัดองค์ประกอบต่างๆ สำหรับอุปกรณ์พลาสมาการแพทย์ต่อสถาบัน IEC ในส่วน IEC SC 62D : ELECTROMEDICAL EQUIPMENT ดังแสดงในรูปที่ 2 โดยเซนเซอร์จะเก็บข้อมูลเชิงปริมาณของก๊าซพลาสมาต่อไปนี้: อุณหภูมิ โอโซน ไนโตรเจนออกไซด์ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ยูวี กระแสไฟฟ้ารั่วไหล ฉนวนไฟฟ้า ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ศักย์การคายประจุไฟฟ้าสถิต และโปรโตคอลก่อนใช้งานอุปกรณ์ ซึงหากยึดแนวทางจัดวางการตรวจวัดองค์ประกอบเชิงประกอบร่วมเหล่านี้ อาจจะเฉพาะเจาะจงโดสของพลาสมาเย็นให้ถูกนิยามจากการผสมผสานขององค์ประกอบทางชีวฟิสิกส์และชีวเคมี ที่สัมพันธ์กับลักษณะการประยุกต์ (ระยะห่าง: d หน่วย cm) พลังงานของพลาสมา (J) และปริมาณอนุมูลเคมี (mM) เป็นต้น [4]

การกำหนดโดสพลาสมาที่เหมาะสมและยังประสิทธิผลได้ มาตรโดสพลาสมามาตรฐานสากล จึงเป็นความท้าทายอย่างยิ่ง ลองดูตัวอย่าง

- โดสของพลาสมาเย็นที่ได้ผลการศึกษาวิจัยมาก่อน อาจก่อให้เกิดผลทางชีวภาพที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงเมื่อใช้ก๊าซต่างชนิดกัน เช่น ฮีเลียมหรืออาร์กอนหรืออากาศ เนื่องจากองค์ประกอบทางชีวเคมีของพลาสมาเปลี่ยนแปลงไป

- โดสของพลาสมาเย็นที่มีประสิทธิผลในการทำลายเซลล์มะเร็งย่อมแตกต่างอย่างมากจากโดสที่ใช้เพื่อการบำบัด/สมานแผลเบาหวานหรือกระตุ้นการงอกใหม่ของเซลล์ผิวหนัง

โดสของพลาสมาในพลาสมาเย็น

ภาพรวมการนิยามโดสของพลาสมาในการศึกษาวิจัยพลาสมาชีววิทยาศาสตร์ มีที่มาจากการรวมกันขององค์ประกอบ(เชิงพลังงาน)หลักๆสามกลุ่มใหญ่ดังต่อไปนี้

(ก) องค์ประกอบทางกายภาพ องค์ประกอบทางกายภาพเกี่ยวข้องโดยตรงกับวิธีการนำพลาสมาไปประยุกต์และพลังงานของระบบผลิตพลาสมา ได้แก่

• กำลังไฟฟ้า: กำลังไฟฟ้าที่ป้อนเข้าสู่พลาสมา (วัตต์)

• ระยะเวลา: องค์ประกอบที่ควบคุมได้ง่ายและสำคัญที่สุด ระยะเวลาที่ประยุกต์พลาสมาสู่เนื้อเยื่อหรือเซลล์เป้าหมาย (วินาทีหรือนาที) องค์ประกอบนี้มักถูกใช้เป็นตัวแทนหลักของโดสในการศึกษาวิจัยพลาสมา

• ระยะห่าง: ระยะจากหัวจ่ายพลาสมาถึงพื้นผิวเป้าหมาย (มิลลิหรือเซนติ-เมตร) ส่งผลโดยตรงต่อความเข้มข้นของทุกอนุภาคพลาสมา โดยเฉพาะอนุมูลไวปฏิกริยา

• ก๊าซพาห์: ชนิดของก๊าซที่ใช้ เช่น ฮีเลียม อาร์กอน อากาศ หรือส่วนผสมของก๊าซเหล่านี้ องค์ประกอบของก๊าซเป็นตัวกำหนดชนิดและความเข้มข้นของอนุมูลไวปฏิกริยาที่ผลิตขึ้น

• อุณหภูมิ: เนื่องจากพลาสมาสามารถทำให้เนื้อเยื่อได้รับความร้อนจากโฟตอนอินฟราเรดได้ การควบคุมอุณหภูมิพลาสมาจึงมีความสำคัญ ในทางปฏิบัติจะจำกัดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเนื้อเยื่อสัมผัสพลาสมาไว้ไม่เกิน 40–42 เซลเซียส

• สนามไฟฟ้าและโฟตอน: พลาสมามีสนามไฟฟ้าอย่างอ่อนและปลอดปล่อยโฟตอน ยูวี ซึ่งอาจมีผลต่อกระบวนการทางชีววิทยาด้วย โดยทั่วไปพลังงาน ยูวี ที่เนื้อเยื่อได้รับจาก CAP ถือว่าต่ำมาก

(ข) องค์ประกอบทางเคมี องค์ประกอบนี้ ต้องทำการวัดปริมาณอนุมูลไวปฏิกริยาเชิงชีวเคมีโดยตรง ได้แก่

• อนุมูลไวปฏิกริยาที่เกิดขึ้น: เป็นการวัดความเข้มข้นของอนุมูลไวปฏิกริยา ซึ่งถือเป็น “สารออกฤทธิ์” หลักของพลาสมาเย็น โดยที่อนุมูลไวปฏิกริยาที่ผลิตขึ้นได้ขึ้นอยู่กับการออกแบบระบบพลาสมา ก๊าซพาห์ และสภาพแวดล้อม (อุณหภูมิ/ความชื้น)

• สภาวะกรดด่าง: อนุมูลพลาสมาสามารถลด pH ของของเหลว เช่น น้ำกลั่นหรือสารละลายในเนื้อเยื่อ ทำให้เกิดสภาวะกรด จึงถูกนับเป็นส่วนหนึ่งของโดสพลาสมาด้วย

(ค) องค์ประกอบทางชีววิทยา การตอบสนองของเนื้อเยื่อชีวภาพต่อพลาสมาเป็นปัจจัยสำคัญมากในการกำหนดโดส เป็นการนิยามเชิงบทบาทของโดสพลาสมา โดยวัดผลกระทบทางชีวเคมีที่เกิดขึ้นทันทีในเป้าหมายและวัดผลลัพธ์ของการบำบัด/รักษาได้โดยตรง ได้แก่

• โดสต่อเซลล์: ปริมาณพลังงานหรืออนุมูลไวปฏิกริยาที่เซลล์ดูดซึมเข้าไป

• ไบโอมาร์กเกอร์: การวัดการเปลี่ยนแปลงในระดับโมเลกุลของเซลล์หรือเนื้อเยื่อหลังการใช้พลาสมา เช่น ระดับความเครียดออกซิเดชัน ระดับการตายแบบโปรแกรมได้ และการกระตุ้นหรือยับยั้งการส่งสัญญาณของเซลล์

• ผลลัพธ์ที่สังเกตได้: เช่น เวลาที่ใช้ในการสมานแผลจนสมบูรณ์ หรือร้อยละของการลดลงของปริมาณจุลชีพ

• ความซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์: พลาสมาสามารถกระตุ้นให้เยื่อหุ้มเซลล์มีความซึมผ่านเพิ่มขึ้นชั่วคราว ซึ่งอาจใช้เพื่อเพิ่มการนำส่งยา (plasma-assisted permeation)

ดังนั้นในทางปฏิบัติเวชคลินิก โดสพลาสมาที่ต่ำเกินไป: ไม่เกิดผลการรักษา โดสพลาสมาที่เหมาะสม: ได้ผลลพธ์ทางชีวภาพตามที่ต้องการ อาทิ ในกรณีการบำบัดมะเร็ง โดยพลาสมาจะเหนี่ยวนำการตายแบบโปรแกรมได้ต่อเซลล์มะเร็ง ในการสมานแผลและการลด/ปลอดจุลชีพของแผล พลาสมาจะเป็นการทำลายจุลชีพอย่างจำเพาะ พร้อมทั้งกระตุ้นการเพิ่มจำนวนและการแผ่ของเซลล์ผิวหนังปกติ เช่น ไฟโบรบลาสต์และเคราติโนไซต์ และสำหรับการห้ามเลือด พลาสมาจะช่วยส่งเสริมการเกิดลิ่มเลือดอย่างรวดเร็ว ส่วนโดสที่สูงเกินไป: ทำให้เกิดการตายในทุกชนิดเซลล์ (necrosis) ทำลายเนื้อเยื่อปกติและขัดขวางการสมานแผล

ตัวอย่างการให้โดสพลาสมาตามเวชปฏิบัติหนึ่งระบุว่า “สำหรับแผลเรื้อรังขนาด 4 ซม.² ให้ใช้พลาสมาเจ็ทอาร์กอนที่ระยะ 1 ซม.จากเนื้อเยื่อ และเคลื่อนหัวจ่ายพลาสมาช้าๆ กวาดไปมาเป็นเวลา 60 วินาทีต่อพื้นที่ 1 ซม.²”

แล้วในที่สุดควรกำหนดจากอะไร(บ้าง)

จากบทความวิจัยล่าสุดโดย E. Wu, และคณะ [5] เสนอ ETOP (Equivalent Total Oxidation Potential) framework ซึ่งเป็นกรอบแนวคิดการนิยามโดสพลาสมาแบบองค์รวมที่มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง จุดประสงค์หลักก็เพื่อนำสู่ผลทางชีวภาพของพลาสมาเย็นอิงปริมาณกายภาพพื้นฐาน(ที่กล่าวข้างต้นแล้ว)อย่างเป็นระบบ ทั้งนี้แนวคิด ETOP ดั้งเดิมเน้นการประเมินองค์ประกอบทางเคมีของพลาสมา โดยเฉพาะอนุมูลว่องไวปฏิกิริยาออกซิเจนและไนโตรเจน (RONS) ผ่านสู่หลักการผลทางชีวภาพสมมูลเข้าเป็นสเกล ETOP เดียวกัน สอดรับแนวคิดองค์ประกอบกายภาพสู่ผลทางชีวภาพในผลการศึกษาของ Pourtalari, A. [6]

กรอบนิยามโดสของพลาสมาสเกล ETOP พิจารณาธรรมชาติพื้นฐานของผลทางชีวภาพที่เกิดจากพลาสมาแบ่งเป็น 3 ส่วน เหมือนกับที่กล่าวข้างต้นแล้วได้แก่ (1) ผลจากอนุมูลไวปฏิกริยาจากพลาสมา (2) ผลจากองค์ประกอบกายภาพจากพลาสมา เช่น สนามไฟฟ้า อิเล็กตรอน และโฟตอน ยูวี และ (3) ผลร่วมจากองค์ประกอบทั้งสอง กรอบนิยามนี้จึงถูกเขียนได้ดังสมการ

D_ETOP = C + P + f(C,P)(1)

โดยที่ D_ETOP หมายถึงโดสรวมในกรอบ ETOP เทอม C แทนผลจากอนุมูลไวปฏิกริยา เทอม P ใช้อธิบายผลขององค์ประกอบออกฤทธิ์อื่นที่ไม่เกี่ยวข้องกับอนุมูลไวปฏิกริยา โดยในที่นี้มุ่งเน้นองค์ประกอบพลังงานทางกายภาพของพลาสมาเป็นหลัก ส่วนเทอม f(C,P) ใช้อธิบายผลร่วมระหว่าง C และ P

ตารางที่ 1 แสดงรายละเอียดตัวแปรกายภาพของพลาสมาเย็น [6] สู่การนิยามโดส D_ETOP

อนึ่งองค์ประกอบกายภาพ เช่น สนามไฟฟ้า ไม่มี “ศักย์ออกซิเดชัน” ติดตัวเหมือนเหล่าอนุมูลไวปฏิกริยาจึงไม่สามารถนำเข้าสู่ ETOP ได้โดยตรง ดังนั้นเนื่องจากมิติของ ETOP ตรงเทอมพลังงาน P มีการปรับเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์เพื่อชดเชยความแตกต่างด้านประสิทธิผลทางชีวภาพจากองค์ประกอบต่างชนิดเสียใหม่เป็น

D_ETOP = k_CC + P = k_CC + k_EP_E + k_UVP_UV(2)

โดยที่เทอมผลของพลังงานทางกายภาพ P ถูกแยกเป็นผลรวมถ่วงน้ำหนักของสนามไฟฟ้าและของโฟตอนยูวี, P_E และ P_UV แทนตัวชี้วัดโดสของผลทางชีวภาพจากสนามไฟฟ้าและจากโฟตอนยูวี ตามลำดับ, k_C, k_E และ k_UV เป็นค่าสัมประสิทธิ์ไร้มิติที่ใช้บ่งชี้ความแตกต่างของประสิทธิภาพยังผลชีวภาพต่อหน่วยโดสขององค์ประกอบแต่ละชนิด เพื่อให้สามารถนำองค์ประกอบพลังงานเข้าสู่มาตร ETOP ร่วมกันได้

ความสำคัญของค่าสัมประสิทธิ์เหล่านี้ที่แม้พลังงานที่ให้มีค่าเท่ากัน องค์ประกอบอนุภาคพลาสมาแต่ละชนิดก็อาจส่งผลต่อเซลล์ผ่านกลไกที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น สนามไฟฟ้าพัลส์ความเข้มสูงจะส่งผลต่อเยื่อหุ้มเซลล์ผ่านการเกิดโพลาไรเซชันและอิเล็กโตรพอเรชัน ขณะที่โฟตอนยูวีก่อให้เกิดความเสียหายเด่นชัดจากการดูดกลืนพลังงานแสงของกรดนิวคลีอิก ส่วนองค์ประกอบอนุมูลไวปฏิกริยาจะส่งผลชีวเคมีผ่านกระบวนการทางเคมีหลายขั้นตอน

สนามไฟฟ้าในกรอบ ETOP

ผลทางชีวภาพของสนามไฟฟ้าที่มีต่อสิ่งมีชีวิตโดยทั่วไปอยู่ในรูปของอิเล็กโตรพอเรชันที่เกิดขึ้นบนเยื่อหุ้มเซลล์ ภายใต้การสัมผัสกับสนามไฟฟ้าแบบพัลส์เดี่ยวหรือแบบต่อเนื่อง ประจุจะสะสมอยู่ทั้งสองด้านของเยื่อหุ้มเซลล์ ส่งผลให้เกิดความต่างศักย์ข้ามเยื่อหุ้ม เมื่อความต่างศักย์นี้มีค่าสูงพอ โครงสร้างของชั้นลิพิดไบเลเยอร์อาจเกิดความไม่เสถียร นำไปสู่การเพิ่มการซึมผ่านของเยื่อหุ้ม การเกิดรูพรุน และหากสนามไฟฟ้ารุนแรงหรือยืดเยื้อนานเพียงพอ อาจนำไปสู่อิเล็กโตรพอเรชันของเยื่อหุ้มแบบไม่ย้อนกลับได้

P_E = ∬σE²(t) dtdV = d_effA_eff ∫σE²(t) dt(3)

โดย d_eff และ A_eff คือความลึกและพื้นที่การประยุกต์ยังผล โดสลักษณะนี้จึงสะท้อนพลังงานที่เนื้อเยื่อได้รับจากสนามไฟฟ้าโดยตรง โดสดังกล่าวอิงจากการกระทำสะสมของ E²(t) จึงมีมิติเป็นองค์ประกอบพลังงานสำหรับ ETOP ได้

สำหรับกรณีที่มีหลายพัลส์ โดสของสนามไฟฟ้าจึงสามารถขยายได้เป็น

P_E = d_eff A_eff σE² τ N^x(4)

โดยเลขชี้กำลัง x มีค่าอยู่ระหว่าง 0.5 ถึง 1 ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างพัลส์ τ กับค่าคงที่เวลาการชาร์จเยื่อหุ้มเซลล์ (τ_m) หาก τ ≫ τ_m โดสสนามไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนพัลส์แบบเชิงเส้นและ x = 1 หาก τ ≪ τ_m โดสจะมีการรวมตัวแบบย่อยเชิงเส้นและ x = 1/2 ค่า 1/2 < x < 1 ใช้แทนกรณีที่ τ ใกล้เคียงกับ τ_m

โฟตอนยูวีในกรอบ ETOP

ส่วนนี้สร้างรูปแบบเชิงปริมาณเฉพาะสำหรับโดสโฟตอนยูวี ที่ใช้แทน P_UV โดยเริ่มจากแนวคิดพื้นฐานของ fluence โฟตอนยูวีแบบดั้งเดิม สำหรับหลอดยูวีที่มีความยาวคลื่นเดี่ยว ค่า fluence ของโฟตอนยูวี (u_UV; หน่วย J/cm²) สามารถคำนวณได้จากผลคูณของความเข้มยูวี (I_UV; หน่วย W/cm²) และเวลาประยุกต์ t ดังนี้

u_UV = ∫I_UV dt(5)

อย่างไรก็ตาม โฟตอนยูวีจากพลาสมาต่างจากหลอดยูวีทั่วไปที่มักปล่อยโฟตอนยูวีเพียงหนึ่งหรือไม่กี่ความยาวคลื่น ทว่าโฟตอนยูวีที่เกิดจากพลาสมามักครอบคลุมหลายช่วงคลื่นและมีเส้นสเปกตรัมจำนวนหนึ่ง

หากสมมติว่าโฟตอนยูวี กระจายสม่ำเสมอบนพื้นที่ยังผล A_eff และให้เวลาประยุกต์ t คงที่ สมการนี้จะย่อได้เป็น

P_UV = ∫I(λ)S(λ)dλ A_eff t(6)

เทอม S(λ) เป็นค่าความไวของเนื้อเยื่อต่อโฟตอนยูวีที่ความยาวคลื่นต่างๆกันเข้ามาร่วมในการคำนวณโดส

การปรับสัมประสิทธิ์ k_C, k_E และ k_UV จากผลทางชีวภาพสมมูลในกรอบ ETOP

แม้ว่าสนามไฟฟ้า โฟตอนยูวี และอนุมูลไวปฏิกริยาจากพลาสมาจะมีเป้าหมายและกลไกระดับจุลภาคแตกต่างกันอย่างมาก แต่ทั้งหมดสามารถก่อให้เกิดการปลอดหรือการลดลงของจุลชีพที่วัดได้ผ่านทางองค์ประกอบกายภาพชนิดต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น ค่าการลดจำนวนจุลชีพเท่ากัน (FBR = log₁₀(n₀/n_t) โดย n₀ และ n_t เป็นจำนวนจุลชีพก่อนและหลังประยุกต์พลาสมา ย่อมนำไปสู่การปรับค่าสัมประสิทธิ์สำหรับทำให้ผลขององค์ประกอบต่างชนิดสามารถเทียบเคียงกันได้ในกรอบ ETOP

ดังนั้นจึงนิยามค่าสัมประสิทธิ์ปรับแก้ k_C และ k_E ซึ่งสะท้อนความแตกต่างของผลทางชีวภาพต่อหน่วยพลังงานขององค์ประกอบทางเคมี พลังงานสนามไฟฟ้า และพลังงานโฟตอนยูวี ตามลำดับ ค่าสัมประสิทธิ์เหล่านี้เป็นองค์ประกอบสำคัญสำหรับการสร้างโดสรวมข้ามชนิดพลังงาน ในงานนี้ ได้กำหนดให้โดส ยูวี คือ P_UV เป็นสเกลอ้างอิง กล่าวคือ k_UV ≡ 1 การเลือกนี้เป็นเพียงการกำหนดฐานอ้างอิง ไม่ได้หมายถึงการให้ความสำคัญทางฟิสิกส์แก่โฟตอนยูวีมากกว่าองค์ประกอบอื่น หากต้องการอาจเลือกองค์ประกอบเคมี C เป็นฐานอ้างอิงแทนได้เช่นกัน ซึ่งจะปรับเปลี่ยนเฉพาะตัวเลขของค่าสัมประสิทธิ์ปรับแก้ แต่ไม่เปลี่ยนตรรกะการเชื่อมโยงเชิงสัมพัทธ์ของกรอบนี้

ผลที่ได้คือ k_C และ k_E จะเป็นค่าน้ำหนักไร้มิติที่อธิบายการมีส่วนร่วมสมมูลทางชีวภาพขององค์ประกอบต่างชนิดเมื่อเทียบกับสเกลอ้างอิงยูวี ในกรอบ ETOP ซึ่งทำให้สามารถแทนพลังงานทางเคมีและพลังงานทางกายภาพในรูปโดสร่วมที่เปรียบเทียบกันได้ จึงทำให้ ETOP เป็นกรอบที่มีศักยภาพสำหรับการเปรียบเทียบข้ามระบบผลิตพลาสมา การถ่ายโอนองค์ประกอบ และการรวบรวมข้อมูล ไปสู่การกำหนดมาตรโดสพลาสมาเป็นมาตรฐานได้ต่อไป

...ยังมีความท้าทาย

จากที่ประชุมทางเทคนิค Technical Meeting on Emerging Applications of Plasma Science and Technology ณ IAEA HQ เมืองเวียนนา ประเทศออสเตรีย เมื่อเดือนกันยายน คศ. 2023 ที่ผู้เขียนได้เข้าร่วมนำเสนองานวิจัยในฐานะตัวแทนไทย และที่ประชุมมีมติให้ IAEA ผลักดันการกำหนดกรอบการปฏิบัติการผลิต มี และใช้เทคโนโลยีพลาสมาในด้านชีววิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะพลาสมาการแพทย์ เพราะนอกจากการประยุกต์ใช้พลาสมาเย็นที่มีแนวโน้มดีเป็นพิเศษ จากผลลัพธ์การกำจัดจุลชีพอย่างจำเพาะโดยไม่ทำอันตรายเนื้อเยื่อปกติรอบข้าง พร้อมทั้งกระตุ้นการฟื้นฟูของเซลล์ผิวหนัง เป็นการพลิกโฉมการจัดการแผลติดเชื้อเรื้อรังของผู้ป่วย โดยลดภาระเวชปฏิบัติของบุคลากรทางการแพทย์ ลดวัสดุสิ้นเปลือง/ติดเชื้อ และลดเวลาอันมีค่ายิ่งลงได้เป็นอย่างมาก นอกจากนี้ยังครอบคลุมประเด็นสำคัญอื่น ๆ เช่น วิศวกรรมเนื้อเยื่อ การจัดการโรคผิวหนัง และการบำบัดมะเร็งที่อาศัยการเหนี่ยวนำการตายต่อเซลล์มะเร็งโดยเฉพาะ ด้วยผลลัพธ์ที่น่าพอใจอย่างยิ่งจากการประยุกต์ใช้ในการศึกษาผลทางชีวภาพแบบจำเพาะเบื้องต้นเหล่านี้ ร่วมกับการใช้กรอบ ETOP ล่าสุดจะนำสู่การพัฒนาระบบพลาสมาที่ออกแบบเฉพาะตามข้อบ่งใช้ทางเวชคลินิก ที่ไม่เพียงมุ่งเพิ่มประสิทธิผลต่อผลการรักษา แต่ยังต้องลดความเสี่ยงในการใช้พลาสมาเย็นโดยตรงต่อมนุษย์ ให้เป็นไปอย่างเคร่งครัดด้วย

ความท้าทายอย่างมากนี้ เป็นบทบาทหน้าที่ของนักวิจัยและวิศวกรต่อการพัฒนา/ผลิตระบบพลาสมาเย็นที่มีลักษณะเฉพาะแม่นยำ มีมาตร “โดสพลาสมา” ที่มีประสิทธิภาพจำเพาะเจาะจง เพื่อการบรรลุผลทางชีวภาพที่พึงประสงค์ ทำซ้ำได้ และมีมาตรฐานความปลอดภัยครบถ้วนพร้อมที่จะใช้งานชีวการแพทย์ในห้องปฏิบัติการ และ/หรือกิจการเวชคลินิกได้ต่อไป

อ้างอิง

1. ธีรวรรณ บุญญวรรณ พุฒิธร ธะนะ พิพัฒน์ ปรมาพิจิตรวัฒน์ 2023 ปริมาณพลาสมาเย็นเพื่อการประยุกต์ด้านต่างๆ, http://www.thaiphysoc.org/article/414/.
2. D. Boonyawan, Influential phenotypic traits of living cells & tissues using atm cold plasma source as biocatalysts. Technical Meeting on Emerging Applications of Plasma Science and Technology, 19 Sept 2023, IAEA HQ, Vienna, Austria https://conferences.iaea.org/event/336/contributions/29208/attachments/15679/26383/Dheerawan%20Boonyawan.pdf.
3. Poramapijitwat, P., Thana, P., Sukum, P. … Boonyawan, D. Selective Cytotoxicity of Lung Cancer Cells—A549 and H1299—Induced by Ringer's Lactate Solution Activated by a Non-thermal Air Plasma Jet Device, Nightingale®. Plasma Chem Plasma Process, 2023, 43, 805–830, https://doi.org/10.1007/s11090-023-10330-1
4. IEC 60601-2-91:2026 Medical electrical equipment - Part 2-91: Particular requirements for basic safety and essential performance of non-thermal plasma wound treatment equipment, https://webstore.iec.ch/en/publication/70949
5. E. Wu, J. Liu, Z. Li, D. Liu, L. Nie, and X. Lu, Integrating Chemical, Electrical, and Photonic Effects Into a Unified ETOP-Based Plasma Dose Framework, High Voltage (2026): 1–12, https://doi.org/10.1049/hve2.70220.
6. Pourtalari, A. The Plasma Dose Concept in Plasma Medicine Research: From Physical, Chemical, Biological Parameters to Experimental Methods. High Energy Chem 60, 410–421 (2026). https://doi.org/10.1134/S0018143925601915