БИОФИЗИКА, 2019, том 64, № 4, с. 767-771

БИОФИЗИКА CЛОЖНЫX CИCТЕМ

УДК 615.847 + 612.014

ОЦЕНКА МИКРОЦИРКУЛЯТОРНОГО ОТВЕТА НА ВОЗДЕЙСТВИЕ

ХОЛОДНОЙ ГЕЛИЕВОЙ ПЛАЗМЫ

П.В. Перетягин*, Д.В. Янин* ***, А.В. Костров***

*Приволжский исследовательский медицинский университет Минздрава России,

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

**Аccоциация pоccийcкиx озонотеpапевтов, 603089, Нижний Новгоpод, ул. Б. Панина, 9

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

603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

E-mail: cryst-mart@yandex.ru

Поступила в редакцию 19.02.2018 г.

После доработки 20.09.2018 г.

Принята к публикации 25.02.2019 г.

В работе оценена реакция микроциркуляции на проведение курса локального воздействия гелиевой

холодной плазмы. Эксперимент выполнен на 20 здоровых крысах линии Вистар, разделенных на

две группы по десять животных в каждой. Животным контрольной группы проводили однократное

измерение показателей микроциркуляции. Крысы основной группы получали курс, включающий

пять ежедневных сеансов (по 1 мин) обработки кожи спины животных потоком гелиевой холодной

плазмы. Генерацию холодной плазмы производили с помощью устройства оригинальной конструк-

ции, созданного в Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) и основанного на

принципе СВЧ-индуцированной ионизации газового потока. Оценку состояния микроциркуляции

осуществляли методом лазерной доплеровской флоуметрии на аппарате «ЛАКК-М» (НПО «Лазма»,

Москва). Установлено, что осуществление непродолжительного курса воздействия холодной гели-

евой плазмой способствует умеренному снижению интенсивности кровотока по сосудам малого

диаметра за счет NO-зависимой вазодилятации и оптимизации роли шунтирующих механизмов в

формировании микроциркуляции. Это указывает на проадаптивный гемодинамический эффект

изучаемого физического фактора.

Ключевые слова: холодная гелиевая плазма, микроциркуляция, оксид азота.

DOI: 10.1134/S0006302919040161

Плазменная медицина - одно из наиболее ди-

ранее, принципиальной особенностью холодной

намично развивающихся научных направлений,

плазмы является большая концентрация заря-

формирующихся на стыке биомедицины и физи-

женных частиц при ее суммарной нейтральности

ки в последние два десятилетия [1-5]. За этот пе-

[1,3,4,6,9-11], что способно обуславливать ее спе-

риод накоплено большое количество фактов, ука-

цифичную биологическую активность.

зывающих на реагирование различных биосистем

С учетом того, что в большинстве случаев в ка-

на воздействие плазмы [2,6-11]. Холодная плазма

честве базовой среды-носителя для холодной

с физических позиций представляет собой иони-

плазмы используется атмосферный воздух, дан-

зированную газовую смесь, охлажденную до тем-

ный воздействующий фактор назван «холодной

пературы, близкой к температуре тела теплокров-

атмосферной плазмой» [2,5,9,12,15,17,18]. В то же

ных животных и человека [1,3,5,12]. С учетом

время у холодной атмосферной плазмы имеется

невозможности значительного повышения тем-

существенный и практически неустранимый не-

пературы внутри биологической системы класси-

достаток, связанный с невозможностью стандар-

ческий вариант плазменного потока, имеющего

тизации состава исходного газа и, следовательно,

собственную температуру в пределах

3000-

генерируемой холодной плазмы [16,19,20].

5000°С [1,2,12,13], не может быть применен в от-

Несмотря на активно проводимые изыскания

ношении живых объектов. В связи с этим прово-

в области оценки применимости даже атмосфер-

дится дополнительное охлаждение потока для по-

ной холодной плазмы, большинство из них ори-

лучения холодной плазмы [14-16]. Как показано

ентированы на описание действия рассматривае-

767

768

МАРТУСЕВИЧ и др.

мое агента на различные микроорганизмы in vitro

ность регуляторных факторов путем изучения

и in vivo в плане расшифровки его антибактери-

амплитудно-частотного спектра и степень уча-

альной активности [2,8,10,11,21,22]. При этом

стия шунтирующих путей микроциркуляции, вы-

иные локальные эффекты холодной плазмы ис-

ражаемую в форме показателя шунтирования [7].

следованы существенно слабее. Это в полной ме-

Согласно данным разработчиков примененной

ре касается и оценок системного влияния факто-

диагностической аппаратуры, спектр активных

ра [3,4,17,18].

факторов регуляции кровотока по микрососудам

включал эндотелиальный компонент, отражаю-

С другой стороны, показанное в нашей пред-

щий высвобождение эндотелиоцитами оксида

шествующей работе действие холодной гелиевой

азота, нейрогенный компонент, указывающий на

плазмы на состояние окислительного метаболиз-

уровень нейрогенной стимуляции тонуса микро-

ма и физико-химические характеристики плазмы

циркуляторного русла, и миогенный, косвенно

крови создает предпосылки для проявления у

свидетельствующий о вкладе мышечного тонуса

изучаемого агента системных эффектов [16]. С

и роли сфинктерного аппарата в формирование

учетом того, что гемодинамика как на местном,

микрокровотока [7]. Пассивными факторами ре-

так и на организменном уровнях является одной

гуляции служат дыхательный (отражает вклад ды-

из наиболее быстро реагирующих на внешние

хательных волн) и сердечный (указывает на роль

воздействия систем, целью настоящего исследо-

пульсовых волн) компоненты. Для анализа ис-

вания служила оценка реакции микроциркуля-

пользовали значения частотных диапазонов,

ции на проведение курса локального воздействия

скорректированные для крыс [23].

гелиевой холодной плазмы.

С целью изучения потенциального участия

теплового фактора в реализации эффектов холод-

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ной плазмы оценивали температуру обрабатывае-

Эксперимент выполнен на 20 здоровых поло-

мой поверхности кожи с помощью портативного

возрелых крысах-самцах линии Вистар (масса те-

инфракрасного термометра «Fluke 59 Max+».

ла 200-250 г) разделенных на две равных по

Полученные данные были обработаны стати-

численности группы. Животным первой (кон-

стически в программном пакете Statistica 6.1 for

трольной) группы (n = 10) проводили лишь одно-

Windows. Нормальность распределения значений

кратное измерение показателей микроциркуля-

параметров оценивали с использованием крите-

ции. Крысы второй (основной) группы (n = 10)

рия Шапиро-Уилка. С учетом характера распре-

получали курс, включающий ежедневные сеансы

деления признака для оценки статистической

обработки кожи спины животных потоком гелие-

значимости различий применяли Н-критерий

вой холодной плазмы, после которого также од-

Краскала-Уоллеса.

нократно оценивали состояние микроциркуля-

ции. Предварительная подготовка животных

включала эпиляцию шерсти в области воздей-

РЕЗУЛЬТАТЫ

ствия холодной плазмы (площадь обрабатывае-

Анализ непосредственно регистрируемого па-

мого участка спины - 10% поверхности тела жи-

раметра - показателя микроциркуляции - позво-

вотного). Курс состоял из пяти процедур продол-

лил установить (рис. 1), что у здоровых животных

жительностью 1 мин каждая, в течение этого

проведение курса обработки гелиевой холодной

времени животных фиксировали.

плазмой способствует умеренному снижению ин-

Генерацию холодной плазмы проводили с по-

тенсивности микрокровотока (на 14% относи-

мощью устройства оригинальной конструкции,

тельно контрольной группы; р < 0,05).

созданного в Институте прикладной физики РАН

В целях уточнения механизмов, обеспечиваю-

(Нижний Новгород) и основанного на принципе

щих подобный эффект, нами была изучена актив-

СВЧ-индуцированной ионизации газового пото-

ность регуляторных факторов микроциркуляции

ка [16]. Газом-носителем служил высокоочищен-

(рис. 2). Выявлено, что у крыс, подвергнутых воз-

ный гелий из баллонного источника.

действию холодной плазмы, практически двух-

Оценку состояния микроциркуляции осу-

кратно возрастает участие в регуляции кровотока

ществляли методом лазерной доплеровской фло-

по сосудам малого диаметра эндотелиального

уметрии на аппарате «ЛАКК-М» (НПО «Лазма»,

компонента (р < 0,05 по отношению к контроль-

Москва) [7]. Запись ЛДФ-граммы проводили в

ной группе). На этом фоне активность второго

течение 3 мин. Полученные данные позволяли

внутреннего (нейрогенного) фактора остается

рассчитать показатель, характеризующий усред-

практически неизменной. Напротив, для пассив-

ненную интенсивность кровотока по сосудам ма-

ных внешних механизмов регуляции состояния

лого диаметра за указанный период (по показате-

микроциркуляции наблюдали угнетение, выра-

лю микроциркуляции), относительную актив-

женное в различной степени для отдельных пара-

БИОФИЗИКА том 64

№ 4

2019

ОЦЕНКА МИКРОЦИРКУЛЯТОРНОГО ОТВЕТА

769

Рис. 2. Активность факторов регуляции микроцир-

Рис. 1. Уровень показателя микроциркуляции у ин-

куляции у интактных (светлые столбики) и прошед-

тактных и прошедших курс обработки гелиевой хо-

ших курс обработки гелиевой холодной плазмой

лодной плазмой крыс (* - различия статистически

(темные столбики) крыс: Э - эндотелиальный ком-

значимы, p < 0,05).

понент, Н - нейрогенный компонент, М - миоген-

ный компонент, Д - дыхательный компонент, С -

сердечный компонент; * - различия статистически

значимы, p < 0,05.

метров Так, наиболее стабильным оказался мио-

генный фактор, амплитуда которого уменьши-

лась лишь на 20% (р < 0,05 по сравнению с

экспресс-индикатор функционального ответа ор-

интактными животными). В то же время дыха-

ганизма на различные стрессоры, к числу кото-

тельный компонент и вклад пульсовой волны

рых потенциально относится и изучаемый нами

снизились соответственно на 40 и 37% (р < 0,05

поток гелиевой холодной плазмы.

для обоих показателей).

В проведенном исследовании установлено,

Третьей оцениваемой характеристикой состо-

что интегральным результатом проведения крат-

яния микроциркуляции явилась задействован-

кого курса воздействия холодной плазмы служит

ность шунтирующих путей в обеспечении микро-

снижение интенсивности микрокровотока. Изо-

кровотока (рис. 3), устанавливаемая по уровню

лированное рассмотрение этой тенденции может

показателя шунтирования. Обнаружено, что по-

характеризовать наблюдаемый эффект как нега-

сле курса воздействия гелиевой холодной плазмы

тивный, однако сведения об особенностях моди-

имеет место умеренное повышение указанного

фикации регуляторных механизмов локального

параметра (на 26% по сравнению с интактными

крысами; р < 0,05), что указывает на повышение

роли шунтирующих механизмов в регуляции тока

крови по мелким сосудам.

Оценка поверхностной температуры участков

кожи до начала эксперимента и в процессе обра-

ботки холодной плазмой позволила установить,

что рассматриваемый фактор не способствует

значимому нагреванию поверхности. Так, исход-

ная температура поверхности кожи крыс состав-

ляла 28,7 ± 1,2°С, а по завершении сеанса воздей-

ствия гелиевой холодной плазмы - 29,3 ± 1,5°С

(p > 0,05).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Как уже указывалось, состояние микроцирку-

ляции, наряду с характеристиками системной ге-

модинамики, имеет высокую временную вариа-

Рис. 3. Уровень показателя шунтирования у интакт-

бельность, так как зависит от совокупности

ных и прошедших курс обработки гелиевой холод-

внешних и внутренних факторов. Вследствие это-

ной плазмой крыс (* - различия статистически зна-

го микроциркуляция может рассматриваться как

чимы, p < 0,05).

БИОФИЗИКА том 64

№ 4

2019

770

МАРТУСЕВИЧ и др.

кровотока, реализуемых в созданных условиях,

ренному снижению интенсивности кровотока по

принципиально меняют представление о проис-

сосудам малого диаметра за счет NO-зависимой

ходящих процессах.

вазодилятации и оптимизации роли шунтирую-

В частности, наиболее значимым является

щих механизмов в формировании микроцирку-

стимулирующее влияние холодной плазмы на эн-

ляции. Это указывает на проадаптивный гемоди-

дотелиальный компонент, предусматривающее

намический эффект изучаемого физического

его двухкратную активацию. Если учитывать со-

фактора.

пряженность уровня параметра с высвобождени-

ем монооксида азота стенкой сосуда [7], подоб-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ные сдвиги свидетельствуют об NO-зависимой

1. А. Н. Алейник, Плазменная медицина: учебное

вазорелаксации, происходящей под влиянием

пособие (Изд-во ТПУ, Томск, 2011).

курса чрезкожной обработки гелиевой холодной

плазмой. Приведенный механизм и обеспечивает

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

снижение интенсивности микроциркуляции, что

B. F. Gilmore, Int J. Antimicrob. Agents 43, 154 (2014).

позволяет рассматривать данную реакцию как

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

проадаптивную.

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

Следует отметить, что на этом фоне актив-

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

Phys. 11, 115012 (2009).

ность внешних факторов регуляции снижается,

оптимизируя собственные, внутрисосудистые

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

механизмы.

6. Б. Б. Балданов, Ц. Р. Ранжуров, Ч. Н. Норбоев и

Дополнительно о позитивности действия на

др., Вестн. ВСГУТУ, № 4, 56 (2015).

систему микроциркуляции свидетельствует и ди-

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

намика показателя шунтирования. Данный пара-

диагностика состояния микроциркуляторно-ткане-

метр, характеризующий степень вовлеченности

вых систем: колебания, информация, нелинейность.

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

обходных путей микроциркуляции, под влияни-

ем холодной плазмы нормализуется, практически

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

достигая физиологических значений.

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

Все вышеперечисленное, а также отсутствие

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

влияния фактора на поверхностную температуру

cess Polym. 12, 1050 (2015).

кожи животных позволяют предположить про-

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

адаптивный эффект краткого курса обработки

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

крыс холодной гелиевой плазмой в отношении

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

локальной гемодинамики.

6, 26320 (2016).

Также следует отметить, что в особенностях

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

реализации установленного эффекта остаются

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

определенные нерешенные вопросы, к которым,

14. Д. Г. Лапитан и др., Медицинская физика, № 1, 61

в частности, относится оценка продолжительно-

(2012).

сти сохранения эффекта действия холодной плаз-

15. А. К. Мартусевич, С. П. Перетягин и А. Ф. Ванин,

мы на систему микроциркуляции. Данные аспек-

Медицинская физика, № 4, 80 (2012).

ты предполагается изучить в последующих иссле-

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

дованиях. С другой стороны, уже полученные в

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

рамках данной работы результаты позволяют

163 (2017).

предположить возможность применения гелие-

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

вой холодной плазмы в качестве способа стиму-

Plasma Sci. 36, 1441 (2008).

ляции регенераторных процессов при ранах трав-

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

матического и ожогового генеза. Этому дополни-

Physiol. 29, 257 (2016).

тельно способствует наличие у изучаемого

19. S.-M. Kim and J.-I. Kim, J. Microbiol. 44 (4), 466

фактора выраженной антибактериальной актив-

(2006).

ности, продемонстрированной в отечественных и

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

зарубежных публикациях [2,6,8,10,18,19,21,22].

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

60b 636 (2016).

Проведенные исследования позволили уста-

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

новить, что осуществление непродолжительного

(2), 269 (2006).

(пять ежедневных процедур) курса воздействия

23. F. Bajrovic, M. Cencur, M. Hozic, et al., Eur. J.

холодной гелиевой плазмой способствует уме-

Physiol. 439 (Suppl), R158 (2000

БИОФИЗИКА том 64

№ 4

2019

ОЦЕНКА МИКРОЦИРКУЛЯТОРНОГО ОТВЕТА

771

Estimation of Microcirculatory Response to the Influence of Cold Helium Plasma

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

D.V. Yanin* ***, and A.V. Kostrov***

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

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

**Russian Association of Ozone Therapy, ul. B. Panina 9, Nizhni Novgorod, 603089 Russia

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

ul. Ulyanova 46, Nizhni Novgorod, 603950 Russia

The aim of this study was to estimate the microcirculatory response to local action of the cold helium plasma.

Experiments were performed on 20 healthy male Wistar rats divided into two equal groups of 10. Animals of

the first (control) group (n = 10) were examined and single measurement of microcirculatory indices was ap-

plied. Rats of the second (main) group (n = 10) underwent a course which included 5 daily treatment of the

back skin surface of animals using cold helium plasma (exposure time - 1 min). Cold helium plasma was gen-

erated with a special device designed and constructed at the Institute of Applied Physics (Nizhni Novgorod,

Russia) and based on microwave-induced ionization of gas flow. Microcirculation was estimated with laser

Doppler flowmetry using a “LAKK-M” device (Moscow, Russia). It has been established that a short course

(5 daily procedures) of exposure to cold helium plasma caused a moderate decrease in the intensity of blood

f low in small vessels. This tendency was associated with nitric oxide-dependent vasodilatation and optimiza-

tion of a role of bypass mechanisms in microcirculation formation. This indicates that the studied factor has

a proadaptive, hemodynamic effect.

Keywords: cold helium plasma, microcirculation, nitric oxide

БИОФИЗИКА том 64

№ 4

2019