Влияние холодной гелиевой плазмы на кристаллогенные свойства крови

ВЛИЯНИЕ ХОЛОДНОЙ ГЕЛИЕВОЙ ПЛАЗМЫ НА КРИС ТАЛЛОГЕННЫЕ С ВОЙСТВА КРОВИ

1оМартусевич А.К., Краснова С.Ю., 3Ковалева Л.К., 2Козлова Л.А. 1ФГБУ «ПФМИЦ» Минздрава России, Нижний Новгород, Россия 'ФГБОУ ВО «Нижегородская ГСХА», Нижний Новгород, Россия ' ФГБОУ ВО Кировский ГМУ Минздрава России, Нижний Новгород, Россия

Abstract

The aim of this study was estimation of modification of blood plasma crystallogenic properties under processing with cold helium plasma in vitro. Our experiment was carried on 10 blood specimens from healthy volonteers. Each specimen was divided into 3 portions. First portion was control

Key words: cold plasma, helium, blood senim, crystallogenic properties

Целью исследования явилось изучение модификации кристаллогенных свойств плазмы крови при обработке последней холодной гелиевой плазмой in vitro. Эксперимент выполнен на образцах крови 10 здоровых добровольцев. Каждый образец крови делили на 3 равных порции (по 3 мл), первая из которых являлась интактной (с ней не проводили ни каких манипуляций), вторая и третья обрабатывались потоком гелиевой холодной плазмы в течение 1 и 3 минут соответственно. Проведенное исследование позволило продемонстрировать выраженную модулирующий эффект холодной гелиевой плазмы в отношении кристаллогенных свойств сыворотки крови человека. При этом установлено, что имеет место дозозависимосгь реакции изучаемой характеристики биосреды на данное воздействие, причем более оптимальным представляется ответ последней на менее продолжительную обработку (1 мин).

Ключевые слова: холодная плазма, гелий, сыворотка крови, кристаллогенные свойства

В настоящее время изучение биомедицинских аспектов применения холодной плазмы является одним из трендов развития новых медицинских технологий [1, 4, 7, 10-15]. В России и за рубежом создан ряд программно-аппаратных комплексов для генерации холодной плазмы в медицинских целях [1, 5, 6. 8]. С другой стороны, непосредственные биологические эффекты холодной плазмы изучены недостаточно полно, причем акцент данных исследований смещен в сторону всестороннего рассмотрения антибактериальной активности

данного физического фактора [8-10, 13]. Вследствие этого целееообразным является уточнение других механизмов и эффектов холодной плазмы в отношении биологических систем различного уровня организации.

Следует также отметить, что большинством специалистов изучаются свойства и эффекты холодной плазмы, полученной из атмосферного воздуха (cold atmospheric plasma) [1, 4-15]. В то же время стандартизация состава исходной газовой смеси и конечного продукта ионизации в этом случае крайне затруднительна.

Известно, что одним из индикаторов физико-химических свойств биологических жидкостей служит оценка их крнсталлогенной активности, производимая методами новой биомедицинской науки — биокристалломики [2? 3]. Подобная технология позволяет как описать морфологические изменения кристаллообразования биологических субстратов, так и изучить их количественно, с применением критериальной оценки [2]. На этом основании кристаллоскопический анализ рассматривается как метод исследования состояния и динамики биосистем по их метаболическому статусу [2, 3]. Следует отметить, что для тестирования биологической активности холодной гелиевой плазмы данная технология ранее не применялась.

В связи с этим целью настоящего исследования явилось изучение модификации кристаллогенных свойств плазмы крови при обработке последней холодной гелиевой плазмой in vitro.

Материалы и методы Материалом исследования послужили образцы крови 10 практически здоровых добровольцев. Каждый образец крови делили на 3 равных порции (по 3 мл), первая из которых являлась интактной (с ней не проводили ни каких манипуляций), вторая и третья обрабатывались потоком гелиевой холодной плазмы в течение 1 и 3 минут соответственно. Гелиевая плазма генерировалась специальным устройством, разработанным в институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород) и использующем принцип СВЧ-ионизации газа.

Перед проведением крнсталлоскопического исследования все образцы биологической жидкости центрифугировали по стандартной методике до получения плазмы. Далее изучали собственную кристаллогеиную активность плазмы крови методом классической кристаллоскопии [2]. Описание дегидратированных образцов плазмы крови производили морфологически и с применением системы внзуаметрических параметров, характеризующих качественные и количественные стороны процесса кристаллизации бносреды (кристаллизуемость. индекс структурности, степень деструкции фации, выраженность ее краевой зоны).

Статистическую обработку результатов осуществляли алгоритмами вариационной статистики с использованием Statistic а 6.1 for Windows.

Результаты исследований

Проведенное кристалл ос копическое исследование позволило верифицировать наличие модулирующего эффекта гелиевой низкотемпературной плазмы в отношении физико-химических параметров изучаемой биологической жидкости - плазмы крови практически здоровых людей (рис. 1).

А. До воздействия

Б. После обработки ХП

В. после обработки ХП

Рис. 1. Влияние продолжительности обработки на морфологию высушенных образцов сыворотки крови

Морфологически в кристаллоскоиической фацин ннтактной биосреды (рис. 1А) обнаруживали относительно регулярную структуру, фрагментированную аркообразными разломами. В микр опрепарате присутствуют единичные одиночные кристаллические элементы с умеренной степенью деструкции. При этом краевая зона высушенных образцов крови сформирована, но отличается сравнительно небольшим диаметром. Равномерность распределения структурных элементов по мнкропрепарату умеренная.

В микропрепаратах изучаемой биосреды после 1 минуты обработки гелиевой холодной плазмой наблюдали существ енную морфологическую перестройку по сравнению с интактными образцами (рис. 1Б). Эти особенности заключались, в частности, в регуляризации общей структуры фации, что в первую очередь обеспечивалось формированием регулярных центростремительных линейных разломов, фрагментирующих образец на равные отдельности. Кроме того, проведение обработки в данном режиме способствует умеренному нарастанию активности кристаллообразования. Также в этих образцах имело место расширение краевой зоны, сопровождающееся оптимизацией ее структуры и полным отсутствием кристаллических включений. Все элементы микропрепарата либо практически не имеют признаков деструкции, либо последние выражены минимально.

Увеличение продолжительности обработки крови холодной гелиевой плазмой до 3 минул индуцирует в фациях данной биологической жидкости аналогичные предыдущему случаю особенности, но выделяется ряд принципиальных отлнчий. Во-первых, при сохранении регулярности структуры разломов их плотность существенно снижается. Они становятся менее правильными по направленности. Во-вторых, значительно увеличивается количество образующихся кристаллических элементов, причем они имеют средний уровень разрушения, чего не фиксировали ни в ннтактных образцах, ни после 1 -минутного воздействия гелиевой холодной плазмы.

Краевая зона микропрепаратов плазмы крови минимальна, хотя и имеет относительно правильную структуру. Таким образом, морфологически обнаруживается модулирующий эффект гелевой холодной плазмы на кристаллогенные свойства сыворотки крови, являющийся функцией от времени обработки биологической жидкости.

После морфологического описания кристаллических фаций биологической жидкости в изучаемых условиях далее был произведен визуаметрический анализ мнкропрепаратов.

По основному количественному критерию - кристаллнзуемости - выявлена прямая зависимость между продолжительностью действия холодной гелиевой плазмы и действием параметра (рис. 2). В частности, при одноминутной обработке биологической жидкости рассматриваемым фактором отмечали расширение краевой зоны на 50% относительно интектного образца, тогда как при длительном воздействии (3 минуты) уровень показателя возрастал в 2,97 раза (р<0,05 по отношению к контролю), превышая в условных единицах, что соответствует 10-20 кристаллам в краевой зоне. Кроме того, были зафиксированы

Биораднкалы н Антноксиданты 2017 Том 4. №4 статистически достоверные различия между выбранными режимами обработки

(р<0,05).

1.2

0,$

** 0.6

ю

0,4

0,2

контроль  ХПП мин)  ХП

Кр

ИС

Рис. 2. Кристаллизуемостъ н индекс структурности в кристаллограммах сыворотки крови при ее обработке холодной плазмой (Кр — крнсталлнзуемость.

ИС - индекс структурности. ХП — холодная плазма; «*» - различия по сравнению с контрольным образцом статистически значимы,

р<0,05)

1,8 1,6 1,4

П

и 0,8 0,6 0,4 0,2

СДФ

Кз

контроль

ХП

Рис. 3. Степень деструкции фации и выражеЕшость краевой зоны в фациях сыворотки крови при ее обработке холодной плазмой (Кр — крнсталлнзуемость.

ИС - индекс структурности. ХП — холодная плазма; «*» - различия по сравнению с контрольным образцом статистически значимы.

р<0,05)

Иная динамика ответа была обнаружена в отношении качественного параметра кристаллоскопического теста, свидетельствующего о сложности структурой ос троения элементов фации. Выявлено, что воздействие гелиевой холодной плазмы в течение 1 минуты умеренно, на уровне тенденции снижает данный показатель (р<0,1), в то время как трехкратное увеличение продолжительности действия фактора приводит к резкому нарастанию уровня индекса структурности (в 2,3 раза: р<0,05 по сравнению с интактным образцом).

Неодинаковый характер ответа на обработку холодной гелиевой плазмой был продемонстрирован для других оценочных показателей - степени деструкции фации и выраженности краевой белковой зоны (рис. 3). В частности, степень правильности процессов кристаллообразования в микропрепаратах сыворотки крови при обоих изучаемых воздействиях снижалась (р<0„05 для обоих случаев относительно контрольного образца), однако это происходило значительно более выраженно при экспозиции в 1 минуту (в 2,6 раза против 1.19 раз при трехминутной обработке холодной плазмой).

Размеры краевой зоны, оцениваемые с помощью соответствующего показателя, значимо повышались лишь в режиме более короткого воздействия холодной плазмы (на 37,7%; р<0,05 по сравнению с интактным образцом), тогда как увеличение времени обработки образцов крови нивелировало этот эффект.

Заключение

В целом, проведенное исследование позволило продемонстрировать выраженную модулирующий эффект холодной гелиевой плазмы в отношении кристаллогенных свойств сыворотки крови человека. При этом установлено, что имеет место дозозависимость реакции изучаемой характеристики биосреды на данное воздействие, причем более оптимальным представляется ответ последней на менее продолжительную обработку (1 мин).

Список литературы

1. Алейник А Н. Плазменная медицина: учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ. 2011.45 с.

2. Мартусевич А.К. Биокристалломнка в молекулярной медицине / Под ред. B.JI. Эмануэля. СПб.: Издательство СП6ГМУ - Тверь: ООО «Издательство «Триада», 2011. 112 с.

3. Мартусевич А.К., Воробьев A.B.. Гришина A.A.. Русских А.П. Физиология и патология кристаллостаза: общая парадигма и перспективы изучения // Вестник Нижегородского университета им НИ. Лобачевского. 2010. №1.С. 135-139.

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 PB. et al. Eradication and phenotypic tolerance of Burkliolderia cenocepacia biofilms exposed to atmospheric pressure non-thermal plasma // Int. J. Antimicrob. Agents. 2016. Vol. 47. P. 446-450.

6. Butscher D.. Zimmermann D. et al. 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.

BEOpajiHKajiLi H AHTnBKCiijainEi 2017 TOM 4. №4

7. Dobrynin D.„ Fridman D., Friedman G., Fridman A. Physical and biological mechanisms of direct plasma interaction Willi living tissue // New J. Phys. 2009. Vol. 11. P. 1-26.

8. Duske K__ Wegiier Doimert M. et al Comparative 111 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. Varfolorueev A.F., Chernukha M. Yu. et al. Bactericidal effects of non-thermal argon plasma in vitro, in bio films and in the animal model of infected wounds // J. Med. Microbiol. 2011. Vol. 60. P. 75-S3.

10. Flynn P.B.. Busetri A.. Wielogorska E. et al. Potential cellular targets and antibacterial efficacy of atmospheric pressure noil-thermal plasma II Sci. Rep. 2016. Vol. 6. P. 26320.

11. Kong M.G.. Rroesen G., Morfill G. et al. Plasma medic me: 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 714-725.

13. Scholtz V. et al. 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 // EEEE Trans Plasma Sci. 2008. Vol. 36. P. 1441-1457.

15. Wiegand C.. Fink S.. Beier O. et al. Dose- and Time-Dependent Cellular Effects of Cold Atmospheric Pressure Plasma Evaluated m 3D Skin Models // Skin Pharmacol. Physiol 2016. Vol. 29 P 257-265.