CC BY
5
ХОЛОДНАЯ ПЛАЗМА КАК РЕГУЛЯТОР ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БИОСИСТЕМ
А.К. Мартусевич1, Е.С. Голыгина1, В.В. Назаров1,2, А.В. Новиков1
1 Приволжский исследовательский медицинский университет, Нижний Новгород 2Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород
Abstract
Plasma medicine is one of the most modern synthetic scientific directions, born at the junction of plasma physics and biomedicine, dealing with fundamental and applied issues of the interaction of plasma and living matter. Within the framework of this direction, the main biological effects of cold plasma and its capabilities in the formation of fundamentally new medical technologies that are potentially useful for the correction of various diseases, pathological conditions, injuries and burns are shown.
Key words: cold plasma, biological effects, plasma medicine
Плазменная медицина - одно из наиболее современных синтетических научных направлений, родившихся на стыке физики плазмы и биомедицины, занимающееся фундаментальными и прикладными вопросами взаимодействия плазмы и живой материи. В рамках данного направления показаны основные биологические эффекты холодной плазмы и ее возможности в формировании принципиально новых медицинских технологий, потенциально полезных для коррекции различных заболеваний, патологических состояний, травм и ожогов.
Ключевые слова: холодная плазма, биологические эффекты, плазменная медицина
Плазменная медицина - одно из наиболее современных синтетических научных направлений, родившихся на стыке физики плазмы и биомедицины, занимающееся фундаментальными и прикладными вопросами взаимодействия плазмы и живой материи [1, 12]. При этом наибольшее внимание исследователей привлекает область плазменной медицины, связанная с раскрытием биологических и саногенетических эффектов холодной плазмы [2-6, 8-10]. Данное обстоятельство обусловлено тем, что генерируемая в стандартных условиях среды плазма имеет температуру 3000-5000°С, обладающую абсолютным разрушающим действием в отношении биологических объектов [4, 7, 9, 11].
В настоящее время под холодной плазмой принято понимать ионизированный газ различного состава, охлажденный до температуры, сопоставимой с физиологической (30-400С) [1, 12, 13, 15]. Именно для данного фактора в последние десятилетия экспериментально и клинически продемонстрирован ряд потенциально полезных для медицинских задач эффектов [2, 6, 8, 14]. Среди них наиболее хорошо изучена и описана антибактериальная активность, ассоциированная с прямым повреждающим
действием холодной плазмы на клеточную стенку микроорганизмов [4, 5, 9]. С другой стороны, при более тщательном анализе даже указанного аспекта проблемы в нем обнаруживаются многочисленные слабоизученные вопросы, к числу которых относятся селективность действия, отсутствие значимого повреждения собственных тканей макроорганизма и т.д.
Особый интерес, по нашему мнению, представляют биорегуляторные свойства холодной плазмы в отношении функционально-метаболических параметров живых систем. Так, ранее продемонстрирована прорегенераторная активность фактора [6, 14], ее способность к угнетению опухолевого роста [4, 10] и др. Безусловно, приведенные эмпирические факты требуют многоступенчатой верификации, но уже само наличие подобных данных свидетельствует о присутствии у холодной плазмы вторичных, непрямых биологических эффектов, что и позволяет рассматривать ее как потенциальный биорегулятор.
Следует подчеркнуть, что в отношении выяснения биологических эффектов холодной плазмы присутствует значительное количество нераскрытых аспектов. В частности, абсолютным большинством специалистов применяется и изучается так называемая атмосферная холодная плазма [4, 5, 9, 12-15], полученная из атмосферного воздуха при нормальном давлении. Многокомпонентность исходного газового потока и невозможность его стандартизации обуславливают необходимость поиска альтернативных вариантов, одним из которых является монокомпонентная плазма, образующаяся при ионизации инертных газов высокой степени очистки (например, аргона или гелия) [8, 10, 11]. В то же время работы по изучению действия подобной плазмы на биологические объекты единичны и в большей степени касаются аргоновой плазмы [8].
В наших предшествующих исследованиях, выполненных как in vitro, так и in vivo, было показано и верифицировано существование у холодной плазмы вторичных биорегуляторных свойств. В частности, даже непродолжительная обработка (1-3 мин.) образцов крови потоком гелиевой холодной плазмы приводила к формированию ответа биосистемы (по метаболическим и физико-химическим критериям), причем важно подчеркнуть дозозависимость обнаруженных сдвигов [3]. Также следует отметить, что характер изменений существенно отличался от «паттерна» ответа на аналогичное воздействие неионизированного потока гелия из того же источника [3]. Интересно, что реакция изолированной из организма крови как простой модельной биосистемы в целом оказалась сонаправленной сдвигам тех же показателей крови крыс, подвергнутых кратковременному (1-2 мин.) воздействию холодной плазмы на предварительно эпилированные участки спины. Как и в отношении экспериментов in vitro, в этом случае показано умеренное антиоксидантное действие фактора, его положительное влияние на промежуточное звено энергетического обмена и др. Кроме того, было продемонстрировано модулирующее действие на параметры системной и локальной гемодинамики.
С другой стороны, эти эмпирические находки должны быть подкреплены расшифровкой механизмов выявленных вторичных эффектов. В частности, нуждаются в раскрытии мессенджеры и способы передачи сигнала о воздействии
холодной плазмы через неповрежденную кожу и далее - к другим органам и тканям, в том числе к периферической крови, и внутренней среде организма в целом. Это и должно стать одним из наиболее значимых направлений биомедицины плазмы.
Заключение
Таким образом, плазменная биомедицина - перспективное, динамично развивающееся направление, интегрирующее биофизические и биомедицинские подходы и способное сформировать принципиально новые медицинские технологии, потенциально полезные для коррекции различных заболеваний, патологических состояний, травм и ожогов.
Исследование выполнено в рамках тем государственных заданий НИР Приволжского исследовательского медицинского университета и Института прикладной физики РАН.
Список литературы
1. Алейник А.Н. Плазменная медицина. Томск: Изд-во ТПУ, 2011. 45 с.
2. Мартусевич А.К., Перетягин С.П., Ванин А.Ф. Исследование некоторых продуктов, генерируемых медицинским аппаратом для получения NO-содержащей холодной плазмы // Медицинская физика. 2012. №4. С. 80-86.
3. Мартусевич А.К., Соловьева А.Г., Янин Д.В., Галка А.Г., Краснова С.Ю. Влияние гелиевой холодной плазмы на параметры окислительного метаболизма крови in vitro // Вестник новых медицинских технологий. 2017. Т. 24, №3. С. 163166.
4. Alkawareek M.Y., Gorman S.P., Graham W.G., Gilmore B.F. Potential cellular targets and antibacterial efficacy of atmospheric pressure non-thermal plasma // Int J. Antimicrob. Agents. 2014. Vol. 43. P. 154-160.
5. Alshraiedeh N.H., Higginbotham S., Flynn P.B. et al. Eradication and phenotypic tolerance of Burkholderia cenocepacia biofilms exposed to atmospheric pressure non-thermal plasma // Int. J. Antimicrob. Agents. 2016. Vol. 47. P. 446-450.
6. Brun P., Pathak S., Castagliuolo I. et al. Helium generated cold plasma finely regulates activation of human fibroblast-like primary cells // Plos ONE. 2014. Vol. 9, №8. e104397.
7. Dobrynin D., Fridman D., Friedman G., Fridman A. Physical and biological mechanisms of direct plasma interaction with living tissue // New J. Phys. 2009. Vol.11. P. 1-26.
8. Ermolaeva S.A., Varfolomeev A.F., Chernukha M. Yu. et al. Bactericidal effects of non-thermal argon plasma in vitro, in biofilms and in the animal model of infected wounds // J. Med. Microbiol. 2011. Vol. 60. P. 75-83.
9. Flynn P.B., Busetti A., Wielogorska E. et al. Potential cellular targets and antibacterial efficacy of atmospheric pressure non-thermal plasma // Sci. Rep. 2016. Vol. 6. P. 26320.
10. Jawaid P., Rehman M.U., Zhao Q.L. et al. Helium-based cold atmospheric plasma-induced reactive oxygen species-mediated apoptotic pathway attenuated by platinum nanoparticles // J. Cell. Mol. Med. 2016. Vol. 20, №9. P. 1737-1748.
BHopagHKa^w u AHTHOKCHgaHTbi 2021 TOM 8, №2
47
11. Kim S.-M., Kim J.-I. Decomposition of biological macromolecules by plasma generated with helium and oxygen // J. Microbiol. 2006. Vol. 44, N4. P.466-471.
12. Kong M.G., Kroesen G., Morfill G. et al. Plasma medicine: an introductory review // New J. Phys. 2009. Vol. 11. P. 115012.
13. Scholtz V. et al. Nonthermal plasma - A tool for decontamination and disinfection // Biotechnol. Adv. 2015. Vol. 33, N6. P. 1108-1119.
14. Shekhter A.B., Serezhenkov V.A., Rudenko T.G. et al. Beneficial effect of gaseous nitric oxide on the healing of skin wounds // Nitric oxide. 2005. Vol. 12. P. 210-219.
15. Stoffels E., Sakiyama Y., Graves D.B. Cold atmospheric plasma: charged species and their interactions with cells and tissues // IEEE Trans. Plasma Sci. 2008. Vol. 36. P. 1441-1457.
