CC BY
48
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2017 - V. 24, № 3 - P. 163-166
УДК: 631:533 DOI: 10.12737/article_59c4a9e679ca86.74880803
ВЛИЯНИЕ ГЕЛИЕВОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ НА ПАРАМЕТРЫ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО
МЕТАБОЛИЗМА КРОВИ IN VITRO
А.К. МАРТУСЕВИЧ*, А.Г. СОЛОВЬЕВА*, Д.В. ЯНИН", А.Г. ГАЛКА**, С.Ю. КРАСНОВА*
*ФГБУ «Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр» Минздрава России, ВерхнеВолжская наб, 18, Н. Новгород, Россия, 603155 **ФИЦГНЦ «Институт прикладной физики РАН», ул. Ульянова, 46, Н.Новгород, Россия, 603000
Аннотация. Цель работы - исследовать состояние про- и антиоксидантных систем плазмы крови человека при действии холодной плазмы in vitro. Эксперимент был проведен на образцах цельной крови здоровых добровольцев (n=10). Для проведения эксперимента образцы крови делили на 5 равных порций по 1,5 мл., причем первая из них являлась контрольной (с ней не осуществляли никаких манипуляций), вторую и третью обрабатывали холодной плазмой в течение 1 и 3 минут соответственно, а четвертую и пятую - потоком гелия без перевода его в плазменную форму в течение того же времени. Экспозиция по завершении воздействия составляла 10 мин. Методом Fe-индуцированной биохемилюминесценции оценивали интенсивность перекисного окисления липидов и общую анти-оксидантную активность плазмы крови. Уровень малонового диальдегида в плазме крови оценивали по методу В.Г. Сидоркина, И.А. Чулошниковой (1993). Установлено, что холодная гелиевая плазма и неионизированный поток гелия оказывают модифицирующее влияние на окислительный метаболизм крови при обработке последней в условиях in vitro. При этом у холодной плазмы предполагается преимущественный антиоксидантный эффект, а у потока гелия - выраженное прооксидантное влияние.
Ключевые слова: холодная плазма, гелий, биологические эффекты, окислительный метаболизм, плазма крови
THE INFLUENCE OF HELIUM COLD PLASMA ON THE PARAMETERS OF BLOOD OXIDATIVE
METABOLISM IN VITRO
A.K. MARTUSEVICH*, A.G. SOLOVEVA*, D.V. YANIN**, A.G. GALKA**, S.YU. KRASNOVA*
*Privolzhsky Federal Medical Research Centre, Upper Volga embankment, 18. Nizhny Novgorod, Russia, 603155
**Institute of Applied Physics of Russian Academy of Sciences, Ulyanov st., 46, Nizhny Novgorod, Russia, 603000
Abstract. The aim of this work is investigating of the state of pro- and antioxidant systems of human blood plasma by the action of cold plasma in vitro. The experiment was conducted on whole blood samples of healthy volunteers (n=10). For the experiment, the blood samples were divided into 5 equal portions in 1,5 ml. and the first of them was the control (without any manipulation), the second and third ones were treated by cold plasma during 1 and 3 min, respectively, and the fourth and fifth specimens were processed with non-ionized stream of helium with the above expositions. The exposition at the end of exposure was 10 min. Method of Fe-induced biochemiluminescence was used to estimate the intensity of lipid peroxidation and total antioxidant activity of blood plasma. The level of malon dialdehyde in blood serum was evaluated by the method of G.V. Sidorkin and A.I. Chuloshnikov (1993). It is established that the cold helium plasma and non-ionized flow of helium exert a modifying influence on the oxidative metabolism of blood in vitro. It indicates that cold plasma has a predominant antioxidant effect, and the flow of helium has pronounced prooxidant effect.
Key words: cold plasma, helium, biological effects, oxidative metabolism, blood serum.
Введение. Исследования в области физики плазмы проводятся уже на протяжении длительного времени в России и за рубежом [1,68,11-14]. В то же время биомедицинские аспек-
ты действия холодной плазмы различного происхождения и состава рассмотрены существенно менее подробно. В первую очередь эти данные относятся к оценке клинических перспек-
ВЕСТНИК НОВЫХ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ - 2017 - Т. 24, № 3 - С. 163-166 JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2017 - V. 24, № 3 - P. 163-166
тив применения генераторов холодной плазмы [1,4,5,8,9,14,15], в том числе аппарата «Плазон» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) [2,3], газовый поток от которых формируется в большинстве вариантов из атмосферного воздуха и дозируется по концентрации монооксида азота либо других соединений с известной биологической активностью [2,3,11-13].
С другой стороны, эффекты самой холодной плазмы изучены лишь в единичных публикациях [4,7,10,14], преимущественно посвященных дезинфицирующим свойствам данного воздействия [4-6,8-10,13,15], тогда как биологические эффекты холодной плазмы, составляющие базис ее клинического применения, исследованы относительно слабо. В немногочисленных работах, в которых рассматривается влияние этого фактора на биосистемы, использовали либо воздушную [1-4,6-8,13-15], либо аргоновую плазму [9,11,12].
Цель исследования - изучить состояние про- и антиоксидантных систем плазмы крови человека при действии холодной гелиевой плазмы in vitro.
Материалы и методы исследования. Эксперимент был проведен на образцах цельной крови здоровых добровольцев (n=10). Для осуществления воздействия нами была собрана специальная установка, позволяющая проводить непосредственную обработку образцов крови холодной плазмой. В данной установке использовали холодную плазму, генерированную за счет воздействия СВЧ-излучения на поток гелия в аппарате собственной конструкции, разработанном в ИПФ РАН (г. Нижний Новгород). Продолжительность воздействия составляла 1 и 3 мин.
Для проведения эксперимента образцы крови делили на 5 равных порций по 1,5 мл, причем первая из них являлась контрольной (с ней не осуществляли никаких манипуляций), вторую и третью обрабатывали холодной плазмой с указанными выше экспозициями, а четвертую и пятую - потоком гелия без перевода его в плазменную форму. Экспозиция по завершении воздействия составляла 10 мин. Сразу после этого из образцов цельной биологической жидкости стандартным методом центрифугирования выделяли плазму крови.
В последней методом Fe-индуцированной биохемилюминесценции определяли свето-сумму хемилюминесценции, рассматриваемую
в качестве критерия интенсивности перекисно-го окисления липидов, и параметр tg2, служащий индикатором общей антиоксидантной активности плазмы крови. Измерения проводили на аппарате БХЛ-06 (фирма «Медозонс», Нижний Новгород). Уровень малонового диальдегида (МДА) в плазме крови и эритроцитах оценивали по методу В.Г. Сидоркина, И.А. Чулошнико-вой (1993).
Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием программы Statistica 6.1 for Windows. Нормальность распределения значений параметров оценивали с использованием критерия Шапиро-Уилка. С учетом характера распределения признака для оценки статистической значимости различий применяли Я-критерий Краскала-Уоллеса. Критический уровень значимости при проверке статистических гипотез в данном исследовании принимали равным 0,05
Результаты и их обсуждение. На первом этапе нами было проанализировано наличие у холодной плазмы влияния на процессы пере-кисного окисления липидов. Установлено, что обработка биологической жидкости как холодной плазмой, так и неионизированным потоком гелия приводит к нарастанию светосуммы хемилюминесценции, трактуемой как показатель интенсивности липопероксидации (рис. 1). При этом второе из указанных воздействий вызывает существенно более значимые изменения рассматриваемого показателя. Следует отметить, что данная тенденция обнаруживается при обоих использованных режимах обработки.
В то же время при меньшей длительности воздействия (1 минута) применение холодной гелиевой плазмы лишь незначительно, но статистически значимо стимулировало интенсивность перекисного окисления липидов (на 16%; p<0,05 по сравнению с контрольным образцом). Увеличение продолжительности обработки до 3 минут приводило к существенно более выраженной активации перекисного окисления ли-пидов (на 41%; p<0,05 по отношению к интакт-ному и обработанному холодной плазмой в течение 1 минуты образцам).
Использование для обработки биологической жидкости неионизированного гелиевого потока также демонстрировало дозозависимый эффект, но при обоих режимах обеспечивало значительно более сильную активацию липо-
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2017 - V. 24, № 3 - P. 163-166
пероксидации, о чем свидетельствовало увеличение светосуммы хемилюминесценции на 67 и 88% по сравнению с контрольным образцом для 1- и 3-минутного воздействия соответственно ф<0,05 для обоих случаев).
Рис. 1. Интенсивность липопероксидации плазмы крови при ее обработке холодной плазмой и гелиевым потоком (в % к уровню контрольного образца, принятого за 100%; звездочкой указана статистическая значимость различий по отношению к последнему на уровне p<0,05)
Рис. 2. Общая антиоксидантная активность плазмы крови при ее обработке холодной плазмой и гелиевым потоком (обозначения аналогичны рис. 1)
Иные закономерности были обнаружены для общей антиоксидантной активности плазмы крови (рис. 2). Так, при обработке биосреды холодной плазмой на протяжении 1 и 3 минут регистрировали значительное и дозазависимое нарастание параметра tg2, характеризующего общую антиоксидантную активность биосубстрата (на 63 и 79% по сравнению с контрольным образцом соответственно; p<0,05 для обоих случаев). Важно подчеркнуть, что при указанных режимах воздействия имеет место превалирование прироста антиоксидантной активности над темпами увеличения интенсивности процессов перекисного окисления липидов.
Напротив, влияние на цельную кровь человека потока гелия приводило к угнетению ан-тиоксидантного потенциала биологической
Литература
1. Алейник А.Н. Плазменная медицина: учебное
жидкости (на 12 и 17% при продолжительности обработки 1 и 3 минуты соответственно; p<0,05). Это косвенно указывает на формирование признаков окислительного стресса, индуцированного контактом биосреды с неиони-зированным гелиевым потоком.
Рис. 3. Концентрация малонового диальдегида в плазме крови при ее обработке холодной плазмой и гелиевым потоком (обозначения аналогичны рис. 1)
Эти результаты находят подтверждение и в динамике концентрации вторичного продукта липопероксидации - малонового диальдегида (рис. 3). Выявлено, что обработка цельной крови холодной плазмой in vitro обеспечивает относительно небольшое нарастание уровня данного метаболита как при 1-минутном, так и при 3-минутном воздействии рассматриваемого фактора (увеличение концентрации малонового диальдегида на 17 и 25% по сравнению с образцом, с которым не проводили никаких манипуляций; p<0,05 для обоих случаев). В то же время применение гелиевого потока в существенно большей степени повышает концентрацию соединения в плазме крови (на 58 и 82% при длительности обработки 1 и 3 минуты соответственно; p<0,05). Это позволяет характеризовать воздействие гелиевого потока как прооксидантное.
Заключение. Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что холодная гелиевая плазма и неионизирован-ный поток гелия оказывают модифицирующее влияние на окислительный метаболизм крови при обработке последней в условиях in vitro. Для холодной плазмы оно проявилось в преимущественно антиоксидантном эффекте, тогда как у потока гелия обнаружено выраженное прооксидантное действие.
References
Aleynik AN. Plazmennaya meditsina: uchebnoe poso-
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2017 - V. 24, № 3 - P. 163-166
пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2011. 45 с.
2. Лапитан Д.Г. Медико-физические аспекты стимуляции микроциркуляции крови оксидом азота при лечении заболеваний ЛОР-органов // Медицинская физика. 2012. №1. С. 61-68.
3. Мартусевич А.К., Перетягин С.П., Ванин А.Ф. Исследование продуктов от терапевтического аппарата для получения NO-содержащей холодной плазмы // Медицинская физика. 2012. №4. С. 8086.
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. 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. Butscher D., Zimmermann D. Plasma inactivation of bacterial endospores on wheat grains and polymeric model substrates in a dielectric barrier discharge // Food Control. 2016. Vol. 60. P. 636-645.
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. Duske K., Wegner K., Donnert M. Comparative in vitro study of different atmospheric pressure plasma jets concerning their antimicrobial potential and cellular reaction // Plasma Process Polym. 2015. Vol. 12. P. 1050-1060.
9. Ermolaeva S.A., Varfolomeev A.F., Chernukha M. Yu. 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.
10. Flynn P.B., Busetti A., Wielogorska E. Potential cellular targets and antibacterial efficacy of atmospheric pressure non-thermal plasma // Sci. Rep. 2016. Vol. 6. P. 26320.
11. Kong M.G., Kroesen G., Morfill G. Plasma medicine: an introductory review // New J. Phys. 2009. Vol. 11. P. 115012
12. Laroussi M. Low-temperature plasmas for medicine? // IEEE Trans. Plasma Sci. 2009. Vol. 37. P. 714725.
13. Scholtz V. Nonthermal plasma - A tool for decontamination and disinfection // Biotechnol. Adv. 2015. Vol. 33, N6. P. 1108-1119.
14. 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.
15. Wiegand C., Fink S., Beier O. Dose- and Time-Dependent Cellular Effects of Cold Atmospheric Pressure Plasma Evaluated in 3D Skin Models // Skin Pharmacol. Physiol. 2016. Vol. 29. P. 257-265.
bie [Plasma Medicine: A Training Manual]. Tomsk: Izd-vo TPU; 2011. Russian.
Lapitan DG. Mediko-fizicheskie aspekty stimulyatsii mikrotsirkulyatsii krovi oksidom azota pri lechenii zabolevaniy LOR-organov [Medico-physical aspects of stimulation of blood microcirculation with nitric oxide in the treatment of diseases of the ENT organs]. Meditsinskaya fizika. 2012;1:61-8. Russian. Martusevich AK, Peretyagin SP, Vanin AF. Issledova-nie produktov ot terapevticheskogo apparata dlya polucheniya NO-soderzhashchey kholodnoy plazmy [Study of products from a therapeutic device to produce NO-containing cold plasma]. Meditsinskaya fizika. 2012;4:80-6. Russian.
Alkawareek MY, Gorman SP, Graham WG, Gil-more BF. Potential cellular targets and antibacterial efficacy of atmospheric pressure non-thermal plasma. Int J. Antimicrob. Agents. 2014;43:154-60.
Alshraiedeh NH, Higginbotham S, Flynn PB. Eradication and phenotypic tolerance of Burkholderia ceno-cepacia biofilms exposed to atmospheric pressure non-thermal plasma. Int. J. Antimicrob. Agents. 2016;47 :446-50.
Butscher D, Zimmermann D. Plasma inactivation of bacterial endospores on wheat grains and polymeric model substrates in a dielectric barrier discharge. Food Control. 2016;60:636-45.
Dobrynin D, Fridman D, Friedman G, Fridman A. Physical and biological mechanisms of direct plasma interaction with living tissue. New J. Phys. 2009;11:1-26.
Duske K, Wegner K, Donnert M. Comparative in vitro study of different atmospheric pressure plasma jets concerning their antimicrobial potential and cellular reaction. Plasma Process Polym. 2015;12:1050-60.
Ermolaeva SA, Varfolomeev AF, Chernukha MYu. Bactericidal effects of non-thermal argon plasma in vitro, in biofilms and in the animal model of infected wounds. J. Med. Microbiol. 2011;60:75-83.
Flynn PB, Busetti A, Wielogorska E. Potential cellular targets and antibacterial efficacy of atmospheric pressure non-thermal plasma. Sci. Rep. 2016;6:26320.
Kong MG, Kroesen G, Morfill G. Plasma medicine: an introductory review. New J. Phys. 2009;11:115012.
Laroussi M. Low-temperature plasmas for medicine? IEEE Trans. Plasma Sci. 2009;37:714-25.
Scholtz V. Nonthermal plasma - A tool for decontamination and disinfection. Biotechnol. Adv. 2015;33(6):1108-19.
Stoffels E, Sakiyama Y, Graves DB. Cold atmospheric plasma: charged species and their interactions with cells and tissues. IEEE Trans. Plasma Sci. 2008;36:1441-57.
Wiegand C, Fink S, Beier O. Dose- and Time-Dependent Cellular Effects of Cold Atmospheric Pressure Plasma Evaluated in 3D Skin Models. Skin Pharmacol. Physiol. 2016;29:257-65.
