БИОФИЗИКА, 2022, том 67, № 1, с. 168-173

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

УДК 615.847 + 612.014

ВЛИЯНИЕ ГЕЛИЕВОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ

НА МИКРОЦИРКУЛЯЦИЮ В ОКОЛОРАНЕВОЙ ЗОНЕ

ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ТРАВМЕ

А.А. Епишкина*, К.С. Малышева*

*Приволжский исследовательский медицинский университет МЗ РФ,

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

**Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 603107, Нижний Новгород, просп. Гагарина, 97

***ФИЦ «Институт прикладной физики РАН», 603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

E-mail: cryst-mart@yandex.ru

Поступила в редакцию 03.11.2021 г.

После доработки 09.11.2021 г.

Принята к публикации 13.11.2021 г.

Оценено влияние гелиевой холодной плазмы на состояние микроциркуляции в околораневой зоне

при экспериментальной термической травме. Эксперименты выполнены на крысах-самцах линии

Вистар. Крысам под комбинированным наркозом моделировали контактный термический ожог на

площади 20% поверхности тела. У крыс экспериментальной группы, начиная со вторых суток после

травмы, ожоговую поверхность равномерно обрабатывали потоком холодной гелиевой плазмы в те-

чение одной минуты (три ежедневных процедуры, расстояние до поверхности кожи - 15 мм.). Хо-

лодную плазму генерировали с применением аппарата, созданного в ФИЦ «Институт прикладной

физики РАН» (Нижний Новгород). Изучали влияние обработки плазмой на состояние микроцир-

куляции в околораневой зоне на четвертые сутки после нанесения контактного термического ожога

методом лазерной допплеровской флоуметрии на аппарате «ЛАКК-М». Установлено, что при мо-

делировании термической травмы показатель микроциркуляции в околораневой зоне статистиче-

ски значимо снижается по отношению к здоровым животным (в 1.97 раза). Напротив, обработка ра-

невой поверхности плазмой способствует стимуляции кровотока в микрососудах в рассматривае-

мой области (на четвертые сутки после нанесения ожога - 72.9% относительно контрольной

группы). Таким образом, использование в раннем послеожоговом периоде (вторые-четвертые сут-

ки с момента нанесения травмы) обработки раневой поверхности гелиевой холодной плазмой ока-

зывает положительное влияние на состояние микроциркуляции в околораневой зоне, способствуя

интенсификации кровотока за счет NO-зависимых и нейрогенных механизмов и частичному купи-

рованию признаков «феномена обкрадывания» в ней.

Ключевые слова: холодная гелиевая плазма, микроциркуляция, термическая травма.

DOI: 10.31857/S0006302922010185

В последние десятилетия отмечается значи-

С другой стороны, абсолютным большин-

тельный интерес исследователей и клиницистов к

ством специалистов изучаются свойства так на-

потенциальным эффектам холодной плазмы -

зываемой «атмосферной холодной плазмы», в ко-

особого состояния ионизированного газа, охла-

торой ионизируемым газом служит воздух [1-3,

жденного до температуры, близкой к физиологи-

5, 8]. Это обстоятельство существенно затрудняет

ческим значениям (30-40°С) [1-3]. Наиболее су-

стандартизацию биологических эффектов рас-

щественные результаты в этом направлении были

сматриваемого воздействия, так как компонент-

достигнуты в отношении антибактериальной ак-

ный состав атмосферного воздуха вариабелен. В

тивности рассматриваемого фактора [1, 4-6],

то же время работы, посвященные использова-

причем подобное действие было продемонстри-

ровано как в условиях in vitro (на выделенных

нию моногаза (аргона, гелия) для генерации хо-

культурах микроорганизмов [3-7]), так и in vivo

лодной плазмы, единичны [4, 7, 9]. В связи с этим

(на моделях экспериментальных инфицирован-

целесообразным представляется уточнение био-

ных ран [7, 8]).

логических и саногенетических эффектов моно-

168

ВЛИЯНИЕ ГЕЛИЕВОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ

169

компонентной холодной плазмы, в том числе на

моделях патологических состояний [9, 10].

С учетом вышеперечисленного целью работы

явилась оценка влияния гелиевой холодной плаз-

мы на состояние микроциркуляции в околоране-

вой зоне при экспериментальной термической

травме.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Эксперимент проведен на 30 белых крысах-

самцах линии Wistar (возраст - 12-14 мес., масса -

200-250 г), полученных из филиала «Столбовая»

Научного центра биомедицинских технологий

ФМБА РФ (Москва). Всех животных содержали в

стандартных условиях вивария в клетках при сво-

бодном доступе к пище и воде на рационе пита-

ния согласно нормативам ГОСТа «Содержание

экспериментальных животных в питомниках

НИИ».

Рис. 1. Схема эксперимента.

Все животные были разделены на три равные

группы. Первая группа из 10 животных была ин-

тактной, с ними не проводили никаких манипу-

2.5 мкс с регулируемой скважностью. Для переда-

ляций, кроме однократного изучения параметров

чи энергии используется радиочастотный кабель

микроциркуляции на предварительно эпилиро-

РК 50-2-22, проходящий внутри шланга для пода-

ванном участке кожи спины. Крысам второй и

чи рабочего газа. Длительность импульса

третьей групп (n = 10 в каждой) под комбиниро-

2.5 мкс, скважность - 10. Мощность, вкладывае-

ванным наркозом (15 мг/кг золетила 50 и 1 мг/мг

мая в создание плазмы, влияет на степень иони-

ксила вет) моделировали по собственной методи-

зации газа. В приборе предусмотрена плавная ре-

ке [10] контактный термический ожог той же ло-

гулировка мощности от 10 до 100% от максималь-

кализации нагретой до 400°С пластиной, соответ-

ного уровня. Потребляемая мощность не

ствующей по площади 20% поверхности тела

превышает 50 Вт, источник - однофазная сеть

(экспозиция - 3 с., глубина ожога - II степень,

220 В/50 Гц. Рабочий газ из баллона через газовый

без поражения росткового слоя кожи). У крыс

редуктор под давлением от 1.5 до 4.0 атм подается

третьей группы, начиная со второго дня после

на рабочий аппликатор через блок управления со

травмы, ожоговую поверхность равномерно об-

встроенным датчиком расхода газа для контроля

рабатывали потоком холодной гелиевой плазмы в

и регулирования потока плазмы в соответствии с

течение 1 мин. Схема эксперимента представлена

заданным уровнем, регулируемым в пределах

на рис. 1. Расстояние от «плазменного факела» до

0.2-4.0 л/мин. Исходный газ - гелий (99% чисто-

поверхности кожи животного составляло 15 мм.

ты).

Проводили три ежедневных процедуры. В тече-

ние процедуры «плазменным факелом» последо-

Состояние микроциркуляции регистрировали

вательно обрабатывали всю поверхность раны.

в околораневой зоне (2-3 мм от края раны) после

Холодную плазму генерировали с применением

проведения трех процедур обработки (на четвер-

аппарата собственной конструкции, созданного в

тые сутки послеожогового периода) методом ла-

ФИЦ «Институт прикладной физики РАН»

зерной допплеровской флоуметрии на аппарате

(Нижний Новгород). Прибор генерирует низко-

«ЛАКК-02» (НПО «Лазма», Москва) [11]. Запись

температурную холодную плазму атмосферного

ЛДФ-граммы продолжали в течение 3 мин. Ана-

давления в среде инертного газа (гелий, аргон,

лиз данной ЛДФ-граммы позволял рассчитать

неон, криптон) с температурой 30-45°С. Кон-

показатель микроциркуляции, характеризующий

структивно прибор выполнен в виде моноблока

усредненную интенсивность кровотока по сосу-

управления и подключенного к нему посредством

дам малого диаметра за указанный период. Пока-

гибкого шланга аппликатора, в котором генери-

затель микроциркуляции представляет собой

руется холодная плазма. Встроенный в моноблок

среднее арифметическое значение параметра

контроллер управления позволяет контролиро-

микроциркуляции, измеряемого в перфузионных

вать и регулировать параметры холодной плазмы.

единицах. Расчет проводили с помощью встроен-

Энергия, необходимая для создания плазмы, по-

ного программного обеспечения комплекса.

ступает от блока управления к аппликатору в виде

Кроме того, на основании амплитудно-частотно-

импульсов с амплитудой 10 кВ и длительностью

го анализа колебаний интенсивности микроцир-

БИОФИЗИКА том 67

№ 1

2022

170

МАРТУСЕВИЧ и др.

Рис. 2. Показатель микроциркуляции у здоровых и

обожженных животных с учетом проведения обработки

Рис. 3. Амплитуда компонентов регуляции микроцир-

холодной гелиевой плазмой; * - различия с уровнем

куляции у здоровых и обожженных животных с учетом

интактных крыс статистически значимы, p < 0.05.

проведения обработки холодной гелиевой плазмой; Э -

эндотелиальный, Н - нейрогенный, М - миогенный,

Д - дыхательный и С - сердечный компоненты; * -

куляции (по соответствующим частотным диапа-

различия с уровнем интактных крыс статистически зна-

зонам) были определены амплитуды внутренних

чимы, p < 0.05.

(эндотелиальный, нейрогенный и миогенный) и

внешних (дыхательный и сердечный) факторов

регуляции. Также по их соотношению с помощью

четвертые сутки после нанесения ожога способ-

встроенного программного обеспечения был рас-

ствует стимуляции кровотока по микрососудам в

считан показатель шунтирования, указывающий

рассматриваемой области (на 72.9% относитель-

на степень участия шунтирующих путей в обеспе-

но контрольной группы; p < 0.05). Это свидетель-

чении микроциркуляции. Подобный подход пол-

ствует о положительном влиянии гелиевой хо-

ностью соответствовал методологии, заложенной

лодной плазмы на интенсивность микроциркуля-

разработчиками данной технологии [11]. Грани-

ции (рис. 2).

цы всех частотных диапазонов были откорректи-

рованы в соответствии с нормативами, описан-

Анализ факторов регуляции позволил уточ-

ными для крыс [12].

нить механизмы обнаруженного эффекта (рис. 3).

Полученные данные были обработаны стати-

Выявлено, что для эндотелиального компонента

стически в программном пакете Statistica 6.1 for

регуляции, отражающего высвобождение эндоте-

Windows. Данные представляли в виде среднего

лиоцитами монооксида азота, тенденция сдвига

значения и среднеквадратичного отклонения.

полностью аналогична динамике ПМ. Так, у

Нормальность распределения значений парамет-

крыс, которым проводили обработку раны холод-

ров оценивали с использованием критерия Ша-

ной плазмой, амплитуда эндотелиального факто-

пиро-Уилка. С учетом характера распределения

ра возрастала на 28% (p < 0.05), тогда как без при-

признака для оценки статистической значимости

менения рассматриваемого воздействия снижа-

различий применяли Н-критерий Краскала-Уо-

лась на 54% относительно контрольной группы

ллеса. Различия считали статистически значимы-

(p < 0.05). Похожие изменения регистрировали и

ми при p < 0.05.

для нейрогенного компонента: при использова-

нии гелиевой холодной плазмы наблюдали уве-

РЕЗУЛЬТАТЫ

личение показателя на 14.6% по сравнению с ин-

тактными крысами (p < 0.05), а у животных, кото-

Основным регистрируемым параметром при

рым только наносили термическую травму -

проведении лазерной допплеровской флоумет-

уменьшение значения параметра (на

30.1%;

рии является показатель микроциркуляции.

p < 0.05).

Установлено, что при моделировании термиче-

ской травмы значение этого показателя в около-

По миогенному фактору в обеих основных

раневой зоне существенно снижается относи-

группах отмечали единую тенденцию к сниже-

тельно здоровых животных (в 1.97 раза; p < 0.05).

нию его амплитуды, однако она была выражена

Напротив, обработка раневой поверхности на

в различной степени. Так, при локальном воздей-

БИОФИЗИКА том 67

№ 1

2022

ВЛИЯНИЕ ГЕЛИЕВОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ

171

Рис. 4. Показатель шунтирования у здоровых и обожженных животных с учетом проведения обработки холодной гелиевой

плазмой; * - различия с уровнем интактных крыс статистически значимы, p < 0.05.

ствии холодной плазмы указанный сдвиг отно-

циркуляторного русла у животных в послеожого-

сительно здоровых животных был минимальным

вом периоде в зависимости от применения гелие-

(-19.3%; p < 0.05), тогда как крысы, которых не

вой холодной плазмы на основании изучения по-

подвергали действию рассматриваемого фактора,

казателя шунтирования. Установлено, что у крыс

демонстрировали резкое снижение уровня пока-

при стандартном течении раневого процесса дан-

зателя (в 3.10 раза; p < 0.05).

ный показатель возрастает в 2.07 раза по сравне-

нию со здоровыми животными (p < 0.05; рис. 4),

Оценка влияния холодной плазмы на «внеш-

что свидетельствует о формировании в околора-

ние», пассивные факторы регуляции кровотока

невой зоне «феномена обкрадывания» [11]. На-

по микрососудам позволила выявить иные зако-

против, при проведении экспериментальной об-

номерности по сравнению с описанными выше

работки раны холодной плазмой фиксировали

активными факторами (рис. 3). Так, по дыхатель-

менее выраженный прирост показателя шунти-

ному компоненту в случае обработки раны холод-

рования (на 37.4% относительно контрольной

ной плазмой обнаружено значимое снижение от-

группы; p < 0.05). Это указывает на более рацио-

носительно интактных крыс (на 28.1%; p < 0.05), а

нальное распределение кровотока между капил-

в отсутствие данного воздействия амплитуда ука-

лярным нутритивным руслом и артерио-веноз-

занного фактора сохранялась на уровне здоровых

ными шунтами в случае воздействия изучаемого

животных. Это, по нашему мнению, свидетель-

фактора.

ствует о компенсаторной, индуцированной хо-

лодной плазмой перестройке регуляторного ба-

ланса микроциркуляции в сторону внутрисосуди-

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

стых компонентов, тогда как при стандартном

течении раневого процесса происходит смещение

В настоящее время изучение биологического

превалирующей роли к «внешним» механизмам,

действия холодной плазмы на различные биообъ-

что может рассматриваться как негативная тен-

екты преимущественно ограничивается оценкой

денция.

локальных эффектов данного фактора [1, 6, 7]. Он

связан с повреждающим влиянием образующих-

Сердечный компонент регуляции, связанный

ся в процессе обработки холодной плазмой высо-

с участием пульсовой волны в обеспечении мик-

ких концентраций радикалов, в том числе - ак-

роциркуляции, однотипно снижается в обеих ос-

тивных форм кислорода [2]. Именно на этом

новных группах (в 2.92 и 2.38 раза соответственно

принципе базируется антибактериальный эф-

для крыс, получавших обработку холодной плаз-

фект, наиболее часто находящий применение для

мой и не получавших таковой; p < 0.05 для обоих

данного физического фактора [1, 4, 5]. В то же

случаев). При этом межгрупповые различия по

время имеются единичные работы, в которых

данному показателю статистически незначимы.

указывается четкое дозозависимое влияние вре-

Также нами проведен анализ вовлеченности

мени обработки на концентрацию генерирую-

шунтирующих путей в сброс крови вне микро-

щихся радикалов [3, 8], причем при крайне не-

БИОФИЗИКА том 67

№ 1

2022

172

МАРТУСЕВИЧ и др.

продолжительном воздействии она соответствует

роциркуляции в околораневой зоне, способствуя

физиологическому диапазону [2]. Однако эффек-

интенсификации кровотока за счет NO-зависи-

ты подобных режимов применения холодной

мых и нейрогенных механизмов и частичному ку-

пированию признаков «феномена обкрадыва-

плазмы практически неизвестны, тем более - на

ния» в ней.

системном (организменном) уровне [7]. В связи с

этим важным представлялось установить их на-

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

личие на примере наиболее чувствительной си-

Исследование выполнено при финансовой

стемы - гемодинамики, в нашем случае - микро-

поддержке Российского научного фонда (грант

циркуляции. Выявлено, что при моделировании

№ 22-25-00652).

ожоговой раны в околораневой зоне наблюдают-

ся негативные перестройки кровотока по сосудам

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

малого диаметра, заключающиеся не только в

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

снижении интегрального параметра - показателя

интересов.

микроциркуляции, но и изменении баланса регу-

ляторных факторов в сторону внесосудистых. Это

проявляется в угнетении эндотелиального ком-

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

понента, который, по мнению авторов метода,

Работа с животными соответствовала прави-

связан с высвобождением монооксида азота сосу-

лам Европейской Конвенции ET/S 129, 1986 и ди-

дистой стенкой [11] на фоне активации дыхатель-

рективам 86/609 ESC. Исследование проводи-

ного фактора. Кроме того, при эксперименталь-

лось в соответствии с принципами Базельской де-

ной термической травме в околораневой зоне

кларации и рекомендациями локального

резко возрастает показатель шунтирования, что

этического комитета Университетской клиники

свидетельствует об увеличении сброса крови из

ФГБОУ ВО «ПИМУ» Минздрава России (прото-

артериального в венозное русло, минуя капилля-

кол № 3 от 18.02.2018 г.).

ры, формируя «феномен обкрадывания» тканей

[11, 12].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Курсовая обработка ожоговой раны холодной

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

гелиевой плазмой приводила к восстановлению

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

кровотока по микрососудам вплоть до его стиму-

(2014).

ляции, что обеспечивалось приростом эндотели-

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

ального компонента, косвенно указывающего на

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

вазодилятирующий эффект изучаемого воздей-

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

ствия. Аналогичная динамика имела место в от-

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

ношении нейрогенного компонента, а по мио-

4. Б. Б. Балданов, Ц. Р. Ранжуров, Ч. Н. Норбоев

генному его угнетение, связанное с травмой, ча-

и др., Вестн. ВСГУТУ 4, 56 (2015).

стично компенсировалось. Напротив, активность

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

внесосудистых факторов регуляции (дыхательно-

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

го и сердечного) компенсаторно снижалась. Так-

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

же важно отметить, что экспериментальная тера-

Rep. 6, 26320 (2016).

пия ожоговой раны холодной гелиевой плазмой

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

способствовала частичному купированию возни-

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

кающего в этом случае «феномена обкрадыва-

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

ния». Все вышеперечисленное позволяет поло-

Physiol. 29, 257 (2016).

жительно характеризовать влияние гелиевой хо-

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

лодной плазмы на состояние микроциркуляции в

и др., Вестн. новых мед. технологий 24 (3), 163

околораневой зоне ожога.

(2017).

10. A. K. Martusevich, A. G. Galka, and E. S. Golygina,

Plasma Medicine 10 (2), 113 (2020).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

11. А.И. Крупаткин и В. В. Сидоров, Лазерная доппле-

ровская флоуметрия микроциркуляции крови (Ме-

Проведенные исследования позволили уста-

дицина, М., 2005).

новить, что использование в раннем послеожого-

вом периоде (вторые-четвертые сутки с момента

12. F. Bajrovic, M. Čenčur, M. Hožič, et al., Pflügers

нанесения травмы) процедур обработки раневой

Arch. 439, 158 (2000).

поверхности гелиевой холодной плазмой оказы-

13. A. V. Vorobyov, A. K. Martusevich, A. G. Solovyova,

вает положительное влияние на состояние мик-

et al., Bull. Exp. Biol. Med. 147 (4), 424 (2009).

БИОФИЗИКА том 67

№ 1

2022

ВЛИЯНИЕ ГЕЛИЕВОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ

173

The Effect of Cold Helium Plasma on Microcirculatory Flow in the Peri-Wound Area

After Experimental Thermal Injury

A.K. Martusevich*^, **, E.S. Golygina*, V.V. Nazarov*^, ***, A.A. Epishkina*, and K.S. Malysheva*

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

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

**Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, prosp. Gagarina 97, Nizhny Novgorod, 603107 Russia

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

ul. Ulyanova 46, Nizhny Novgorod, 603950 Russia

This study aimed at evaluating the effect of cold helium plasma on the indices of microcirculatory flow in the

peri-wound area after experimental thermal injury. The experiments were performed with male Wistar rats.

After combined exposure to anesthetics, thermal burn was simulated in contact with the rat skin affecting 20%

of the total body surface area. On day 2 after burn induction, injuried tissues of rats from the experimental

group were treated in a smooth and even manner with a cold helium plasma jet located at a distance of 15 mm

from the skin of the rat for 1 min (3 daily procedures). Cold plasma was generated using a device designed at

the Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences (Nizhny Novgorod). We studied the ef-

fect of cold helium plasma on the indices of microcirculatory flow in the peri-wound area on day 4 after injury

and evaluated changes by using laser Doppler flowmetry (the LAKK-M device). It was found that during

simulation of thermal injury, an observed reduction (1.97 times) in the index of microcirculatory flow in the

peri-wound area is statistically significant relative to healthy animals. On the contrary, treatment of the

wound surface on day 4 after burn induction stimulates blood flow in microvessels in the area under study (by

72.9% relative to a control group). Thus, the local use of cold helium plasma for treatment of injured tissues

(on days 2 to 4 after injury) causes a positive effect on the index of microcirculatory flow in the peri-wound

area thereby intensifying blood flow through NO-dependent and neurogenic mechanisms and contributing

to partial elimination of «the phenomenon of theft».

Keywords: cold helium plasma, microcirculation, thermal injury

БИОФИЗИКА том 67

№ 1

2022