БИОФИЗИКА, 2019, том 64, № 3, с. 596-600

БИОФИЗИКА CЛОЖНЫX CИCТЕМ

УДК 615.847 + 612.014

ВЛИЯНИЕ ГЕЛИЕВОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ НА ПАРАМЕТРЫ

ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА КРЫС

Е.С. Голыгина*, А.В. Костров**

*Приволжский исследовательский медицинский университет Минздрава России,

603005, Нижний Новгород, пл. Минина и Пожарского, 10/1

**Федеральный исследовательский центр «Институт прикладной физики РАН»,

603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

E-mail: cryst-mart@yandex.ru

Поступила в редакцию 23.01.2019 г.

После доработки 23.01.2019 г.

Принята к публикации 25.02.2019 г.

Целью данного исследования являлась оценка характера системного ответа организма крыс на дей-

ствие холодной плазмы по параметрам вариабельности сердечного ритма. Эксперимент выполнен

на 20 здоровых крысах линии Вистар, разделенных на две группы по десять животных в каждой.

Животным контрольной группы проводили однократное измерение показателей микроциркуля-

ции. Крысы основной группы получали курс, включающий десять ежедневных сеансов (по 1 мин)

обработки кожи спины животных потоком гелиевой холодной плазмы. Генерацию холодной плаз-

мы производили с помощью устройства оригинальной конструкции, созданного в Институте при-

кладной физики РАН (Нижний Новгород) и основанного на принципе СВЧ-индуцированной

ионизации газового потока. По завершении полного курса процедур с помощью специального про-

граммно-аппаратного диагностического комплекса, основанного на модулях «Полиспектр» (Ива-

ново), регистрировали электрокардиограммы. Дальнейший анализ электрокардиограмм проводили

по стандартным алгоритмам с расчетом статистических и спектральных показателей. Установлено,

что гелиевая холодная плазма при наружном применении вызывает формирование неспецифичных

(адаптивных) сдвигов сердечного ритма. Они проявляются в развитии умеренной тахикардии и уси-

лении симпатической стимуляции миокарда, а также пропорциональном снижении мощностей

спектра во всех основных частотных диапазонах.

Ключевые слова: холодная гелиевая плазма, системные эффекты, вариабельность сердечного ритма.

DOI: 10.1134/S0006302919030219

В последние десятилетия активно изучается

клеточную мембрану патогенных микроорганиз-

воздействие плазмы на различные биологические

мов [14,17]. Аналогичное действие заложено в

объекты [1-8]. Показано, что наиболее предпо-

технологии плазменной деконтаминации различ-

чтительным вариантом применения данного воз-

ных поверхностей [15].

действия в биомедицине является холодная

плазма - ионизированый газовый поток, охла-

Иные биологические эффекты холодной плаз-

жденный для физиологически оптимальной тем-

мы рассмотрены значительно хуже. Так, в еди-

пературы (30-40°С) [1,5,9,10]. Указанный фак-

ничных работах было показано прорегенератор-

тор, не обладая повреждающим действием в от-

ное влияние фактора в отношении кожных ран

ношении живых систем, потенциально способен

[16,19]. В то же время особенности и механизмы

выступать в качестве биорегулятора, что было ча-

системного, в том числе метаболического и гемо-

стично показано в наших предшествующих ис-

динамического, действия холодной плазмы прак-

следованиях [11-13].

тически не раскрыты [20]. В связи с этим целью

С другой стороны, для холодной плазмы в до-

данного исследования являлась оценка характера

статочной мере изучен лишь непосредственный

системного ответа организма крыс на действие

антибактериальный эффект [2,14,15-18]. Он обу-

холодной плазмы по параметрам вариабельности

словлен прямым деструктивным влиянием на

сердечного ритма.

596

ВЛИЯНИЕ ГЕЛИЕВОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ

597

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Эксперимент был выполнен на 20 половозре-

лых крысах-самцах линии Вистар, разделенных

на две равные по численности группы. Первая

группа животных (n = 10) была интактной, с ними

не проводили никаких манипуляций, кроме од-

нократной регистрации параметров сердечного

ритма методом кардиоинтервалографии. Живот-

ным второй группы (n = 10) предварительно эпи-

лированную поверхность кожи спины (площадь

воздействия - 10% поверхности тела животного)

обрабатывали потоком холодной гелиевой плаз-

мы. Курс процедур включал десять ежедневных

воздействий, продолжительность каждого из них

составляла 1 мин.

По завершении полного курса процедур с по-

Рис. 1. Частота сердечных сокращений у интактных

мощью специального программно-аппаратного

и прошедших курс обработки гелиевой холодной

диагностического комплекса, основанного на

плазмой крыс (* - различия статистически значи-

мы, p < 0,05).

модулях «Полиспектр», регистрировали электро-

кардиограммы. Дальнейший анализ электрокар-

диограмм проводили по стандартным алгорит-

изучены другие параметры, характеризующие ва-

мам с расчетом статистических и спектральных

риабельность сердечного ритма. Так, критериями

показателей. В качестве статистических парамет-

оценки состояния симпатической и вагусной

ров использовали частоту сердечных сокраще-

стимуляции миокарда служат соответственно ин-

ний, амплитуду моды, индекс напряжения, а так-

декс напряжения и амплитуда моды (рис. 2). Вы-

же коэффициент вариации и показатель pNN5.

явлено, что по завершении изучаемого курса ам-

Спектральные параметры включали общую мощ-

плитуда моды умеренно снижается на

8,7%

ность спектра, мощность спектра в диапазонах

(р < 0,05) относительно уровня, характерного для

высоких, низких и очень низких частот, а также

первой группы крыс.

их соотношение.

Гелиевую холодную плазму генерировали с

Напротив, индекс напряжения, указывающий

применением СВЧ-генератора, сконструирован-

на выраженность действия симпатического кон-

ного в Институте прикладной физики РАН

тура регуляции, демонстрирует отчетливую тен-

(Нижний Новгород) [11-13]. В качестве газа-но-

денцию к нарастанию (+94,2%; р < 0,05). В целом

сителя использовали гелий высокой степени чи-

данные сдвиги свидетельствуют о преимуще-

стоты (99,99%).

ственной активации симпатического отдела веге-

Полученные данные были обработаны стати-

стически в программном пакете Statistica 6.1 for

Windows. Нормальность распределения значений

параметров оценивали с использованием крите-

рия Шапиро-Уилка. С учетом характера распре-

деления признака для оценки статистической

значимости различий применяли Н-критерий

Краскала-Уоллеса.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Частота сердечных сокращений является ин-

тегративным параметром, отображающий ре-

зультирующую различных по происхождению и

направленности влияний (рис. 1). Установлено,

что по окончанию краткого курса наружной об-

работки животных холодной плазмой имеет ме-

сто нарастание частоты сердечных сокращений

на 17,6% (р < 0,05).

Рис. 2. Уровень некоторых параметров вегетативно-

го обеспечения кардиоритма (АМо - амплитуда мо-

Для того чтобы более подробно раскрыть меха-

ды, ИН - индекс напряжения; * - различия стати-

низмы формирования подобного эффекта, были

стически значимы, p < 0,05).

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

598

МАРТУСЕВИЧ и др.

валов (рис. 4), практически не претерпевает изме-

нений, сохраняясь на физиологическом уровне

(3-4%).

Вторым компонентом оценки влияния холод-

ной гелиевой плазмы на вариабельность сердеч-

ного ритма является спектральный анализ. С его

помощью установлено, что рассматриваемое воз-

действие обеспечивает значительное снижение

общей мощности спектра (рис. 5). При этом, не-

смотря на его уменьшение в 2,35 раза (р < 0,01),

значение показателя сохранятся в физиологиче-

ском диапазоне. Следует отметить, что данная

тенденция прослеживается по всем частотным

диапазонам (высоких, низких и очень низких ча-

стот).

Рис. 3. Значение коэффициента вариации у интакт-

Также в рамках спектрального анализа рассчи-

ных и прошедших курс обработки гелиевой холод-

тывали соотношение мощностей спектра в диа-

ной плазмой крыс (* - различия статистически зна-

пазонах низких и высоких частот (рис. 6), показа-

чимы, p < 0,05).

тель, по своему физиологическому смыслу анало-

гичный сопоставлению амплитуды моды и

индекса напряжения, так как он отражает соот-

тативной нервной системы в рассматриваемых

ношение активности симпатической и парасим-

условиях.

патической регуляции сократительной деятель-

Также нами изучены показатели, непосред-

ности миокарда. Выявлено, что уровень указан-

ственно представляющие степень вариабельно-

ного параметра после курса воздействия

сти кардиоритма, - коэффициент вариации и па-

холодной гелиевой плазмой снижается на 12,4%

раметр pNN5 (рис. 3 и 4). Обнаружено, что общая

(p < 0,05), что трактуется нами как активация

вариабельность сердечного ритма, оцениваемая

симпатического отдела вегетативной нервной си-

по коэффициенту вариации как максимальное

стемы.

отклонение кардиоритма от среднего значения

(рис. 3), снижается после курса наружной обра-

ботки животных холодной гелиевой плазмой в

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

2,8 раза (р < 0,01). При этом параметр не покидает

Полученные нами результаты касаются дина-

физиологические пределы, оставаясь выше 3%.

мики параметров вариабельности сердечного

ритма у крыс, подвергнутых обработке гелиевой

На этом фоне параметр pNN5, указывающий

на долю значительно отклоняющихся друг от дру-

плазмой, позволили верифицировать наличие

системного гемодинамического ответа организма

га по продолжительности соседних кардиоинтер-

животного на рассматриваемое воздействие. Дан-

ный эффект проявляется в формировании уме-

ренной тахикардии, обусловленной повышенной

симпатической стимуляцией миокарда. Об этом

свидетельствуют как сдвиги статистических (ин-

декс напряжения, амплитуда моды), так и спек-

тральных показателей (соотношение мощностей

спектра в диапазонах низких и высоких частот)

вариабельности сердечного ритма.

С другой стороны, эти изменения свидетель-

ствуют лишь о протекании адаптивных реакций

на непродолжительный курс применения холод-

ной гелиевой плазмы. Это подтверждает динами-

ка коэффициента вариации, не сопровождающа-

яся значительным изменением параметра pNN5.

Кроме того, на это косвенно указывает характер

сдвигов мощностей спектра: существенное паде-

ние общей мощности спектра обеспечивается

Рис. 4. Значение параметра pNN5 у интактных и

пропорциональным снижением мощностей во

прошедших курс обработки гелиевой холодной

плазмой крыс.

всех рассмотренных диапазонах.

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

ВЛИЯНИЕ ГЕЛИЕВОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ

599

ном применении вызывает формирование неспе-

цифичных сдвигов сердечного ритма. Они прояв-

ляются в развитии умеренной тахикардии и

усилении симпатической стимуляции миокарда,

а также пропорциональном снижении мощно-

стей спектра во всех основных частотных диапа-

зонах. Это трактуется нами как физиологическая

адаптивная реакция.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

А. Н. Алейник, Плазменная медицина: учебное

пособие (Изд-во ТПУ, Томск, 2011).

N. H. Alshraiedeh, S. Higginbotham, P. B. Flynn,

et al., Int. J. Antimicrob. Agents 47, 446 (2016).

Рис. 5. Общая мощность спектра кардиоритма у ин-

M. Laroussi, IEEE Trans. Plasma Sci. 37, 714 (2009).

тактных и прошедших курс обработки гелиевой хо-

K. Lee, K. Paek, W. T. Ju, and Y. Lee., J. Microbiol. 44

лодной плазмой крыс (* - различия статистически

значимы, p < 0,05).

(2), 269 (2006).

K. Lotfy, Austin Biochem. 1 (1), 1001 (2016).

V. Scholtz, et al., Biotechnol. Adv. 33 (6), 1108 (2015).

E. Stoffels, Y. Sakiyama, D. B. Graves, IEEE Trans.

Plasma Sci. 36, 1441 (2008).

T. Von Woedtke, S. Reuter, K. Masur, and K. D. Welt-

mann, Phys. Rep. 530, 291 (2013).

D. Dobrynin, D. Fridman, G. Friedman, and A. Frid-

man, New J. Phys. 11, 1 (2009).

10.

K. Duske, K. Wegner, M. Donnert, et al., Plasma Pro-

cess Polym. 12, 1050 (2015).

11.

А. К. Мартусевич, А. Г. Соловьева и С. Ю. Красно-

ва, Вестн. Ульяновской государственной сельско-

хоз. Академии, № 2, 161 (2018).

12.

А. К. Мартусевич, А. Г. Соловьева, С. Ю. Краснова

и др., Биомедицина, № 2, 47 (2018).

13.

А. К. Мартусевич, А. Г. Соловьева, Д. В. Янин и

др., Вестн. новых медицинских технологий 24 (3),

163 (2017).

Рис. 6. Соотношение мощностей спектра кардио-

ритма в диапазонах низких (low frequency) и высоких

14.

M. Y. Alkawareek, S. P. Gorman, W. G. Graham, and

(high frequency) частот у интактных и прошедших

B. F. Gilmore, Int. J. Antimicrob. Agents 43, 154

курс обработки гелиевой холодной плазмой крыс

(2014).

(* - различия статистически значимы, p < 0,05).

15.

D. Butscher, D. Zimmermann, et al., Food Control

60b, 636 (2016).

Все вышеперечисленное позволяет характери-

16.

S. A. Ermolaeva, A. F. Varfolomeev, M. Yu. Cher-

зовать эффект гелиевой холодной плазмы на си-

nukha, et al., J. Med. Microbiol. 60, 75 (2011).

стемную гемодинамику как адаптивный. При

этом черты специфичности в данной компенса-

17.

P. B. Flynn, A. Busetti, E. Wielogorska, et al., Sci. Rep.

торной реакции просматриваются слабо. Приве-

6, 26320 (2016).

денные факты дают возможность подтвердить от-

18.

M. G. Kong, G. Kroesen, G. Morfill, et al., New J.

носительную безопасность наружного примене-

Phys. 11, 115012 (2009).

ния холодной гелиевой плазмы.

19.

C. Wiegand, S. Fink, O. Beier, et al., Skin Pharmacol.

Physiol. 29, 257 (2016).

20. А. И. Крупаткин, и В. В. Сидоров, Функциональная

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

диагностика состояния микроциркуляторно-ткане-

Проведенные исследования позволяют заклю-

вых систем: колебания, информация, нелинейность.

чить, что гелиевая холодная плазма при наруж-

Руководство для врачей (ЛИБРОКОМ, М., 2013).

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

600

МАРТУСЕВИЧ и др.

The Influence of Helium-Generated Cold Plasma on Parameters

of Heart Rate Variability in Rats

A.K. Martusevich*, S.Yu. Krasnova*, P.V. Peretyagin*, A.G. Galka* **,

E.S. Golygina*, and A.V. Kostrov**

*Privolzhsky Research Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation,

pl. Minina i Pojarskogo 10/1, Nizhny Novgorod, 603005 Russia

**Federal Research Center “Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences”,

ul. Ul'yanova 46, Nizhny Novgorod, 603950 Russia

The aim of this study was to evaluate the mechanism of the systemic response to helium generated cold plas-

ma by heart rate variability in rats. Experiments were performed on 20 healthy male Wistar rats. The animals

were divided into two equal groups of 10 each. Animals from the control group were only tested for study of

heart rate variability. Rats from the experimental group got a 10-day course of exposure of the animal skin on

the back to helium-generated cold plasma for 1 min. Helium-generated cold plasma was produced with a spe-

cial device designed at the Institute of Applied Physics (Nizhny Novgorod, Russia) and based on microwave-

induced ionization of gas flow. Heart rate variability was estimated with special diagnostic complex “Poly-

spectr” (Ivanovo, Russia). This complex was used to register the electrocardiogram and analyze the statistical

and spectral parameters of a cardiac rhythm. It was found that exposure to helium-generated cold plasma in-

duced formation of non-specific (adaptive) changes of heart rate variability. These changes are seen as mod-

erate tachycardia, activation of sympathetic stimulation of myocardium and a proportional decrease of the

spectrum power in all frequency ranges.

Keywords: helium generated cold plasma, systemic effects, heart rate variability

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019