Плазменная медицина. 
Плазменная медицина

ПЛАЗМЕННАЯ МЕДИЦИНА

Плазменная медицина является одним из новейших направлений современной прикладной плазмохимии. Данное направление сформировалось несколько лет назад при активном участии нашего института и включает в себя работы, связанные с непосредственным воздействием низкотемпературной атмосферной плазмы на ткани организма с целью различного терапевтического (неразрушающего) воздействия или диагностики [1−11].

Таким воздействием может быть стерилизация ран, свёртывания крови, лечение косметологических заболеваний, восстановление разрушенных тканей, селективное программируемое разрушение раковых клеток (апоптоз), ранняя диагностика и др. Важно отметить, что данная область охватывает в основном исследования, касающиеся неразрушающего направленно-стимулирующего действия плазмы на ткани, клетки и другие биологические объекты.

Прямое воздействие плазмы на организм означает, что живая ткань организма непосредственно участвует в процессе создания разряда, являясь вторым электродом, находящимся под плавающим потенциалом. Непосредственное применение разряда атмосферного давления, зажигаемого при высоком напряжении 10 — 40 кВ, для обработки живых тканей животных и человека требует обеспечения высокого уровня безопасности.

Выбор таких параметров разряда, при которых осуществляется безопасное и неразрушающее воздействие, является одной из основных задач плазменной медицины. Ток разряда должен быть меньше соответствующей величины, определяемой правилами техники электробезопасности. Такой маломощный разряд, по всем своим параметрам абсолютно безопасный для организма человека, был описан в работах [1−2].

В этом разряде, представляющим собой разновидность диэлектрического барьерного разряда (ДБР), высоковольтный электрод был покрыт диэлектрической пластиной, ограничивающей ток разряда, а вторым электродом, находящимся под плавающим потенциалом, служила кожа животного или человека. Разряд был назван диэлектрическим барьерным разрядом с плавающим потенциалом (ДБР ПП).

На рисунке 1 показан именно такой разряд, в котором палец является вторым электродом диэлектрического барьерного разряда. Типичная средняя мощность используемого нами разряда составляла 3 — 6 Вт (поверхностная плотность мощности 0.5 — 1 Вт/см²), расстояние между электродами 2−3 мм при напряжении в 10 — 40 кВ. В дальнейшем, с целью повышения однородности обработки и селективности его неразрушающего воздействия, нами был разработан наносекундный импульсный разряд (длительность импульса 10 — 100 нс), работающий в однородном безстримерном режиме [6,7].

Плазма низкого давления давно используется для стерилизации медицинских изделий in vitro.

Однако, при стерилизации живых тканей, можно использовать только плазму атмосферного давления, т.к. объект обработки не может быть в этом случае помещён в вакуумную камеру. Для плазмы атмосферного давления необходимо подобрать такие условия разряда, в которых погибают все болезнетворные микроорганизмы, при этом живая ткань остаётся неповреждённой.

Для этих целей был использован описанный выше диэлектрический барьерный разряд с плавающим потенциалом. В результате экспериментов на животных были найдены оптимальные условия, при которых за 5- 10 секунд обработки было зарегистрировано значительное уменьшение содержания живых бактерий на коже (в 10³ -10⁴ раз) при сохранении обработанных кожных тканей неповреждёнными [2].

На рис. 2 представлен один из таких экспериментов. Активными частицами плазмы, обеспечивающими эффект стерилизации, являются активные кислород-содержащие частицы (О, ОН, О₃), УФ фотоны, заряженные частицы и электрическое поле [5].

Другим направлением плазменной медицины является обработка раковых клеток меланомы ДБР плазмой малой мощности, не вызывающая непосредственного разрушения клеток, но инициирующая процесс апоптоза (аpoptosis) [3], который представляет собой каскад биохимических процессов, приводящих к гибели клетки не сразу, а через несколько часов или даже дней после обработки [3].

В процессе апоптоза, вызванного ДБР, происходит деструкция биомолекул внутри клетки на меньшие фрагменты по определённому биохимическому пути, что, в конечном итоге, приводит к коллапсу клетки. При этом, не затрагиваются соседние клетки и не инициируются какие либо иммунные процессы, включая воспаление.

В настоящее время широко известна роль NO, выполняющего в организме человека важнейшие биологические функции: регулирования сосудистого тонуса и свёртывания крови, иммунитета и апоптоза клеток, нейронных коммуникаций и памяти, а также обеспечивающего антимикробную и антиопухолевую защиту и т. д.

В связи с этим большой интерес, как источник экзогенного NO, представляет собой воздушная плазма, которая может быть использована для генерации значительной концентрации NO в потоке атмосферного воздуха. Аппарат «Плазон», созданный для этих целей коллективом авторов из Московского Государственного Технического Университета им. Н. В. Баумана и Московской медицинской академии им. И. М. Сеченова [11], был широко апробирован не только на животных, но и прошёл клинические испытания по использованию в различных областях медицины. В качестве яркого примера можно привести применение аппарата «Плазон» для лечения венозных и артериальных трофических язв. Клинические испытания были проведены на 318 пациентах с трофическими язвами сосудистого происхождения [8, 11].

Очищение язв от некроза и экссудата, появление грануляций и краевой эпителизации при плазменной NO-терапии ускорялось в среднем в 2,5 раза. Сроки окончательного заживления уменьшались в 2,5−4 раза в зависимости от размеров язв.

Таким образом, можно утверждать, что низкотемпературная плазма может инициировать, стимулировать и контролировать сложные биохимические процессы в живых системах. Низкотемпературная плазма атмосферного давления может быть использована для неразрушающей обработки живых тканей и ран с целью их стерилизации или быстрого свёртывания крови.

Плазменное воздействие в определённых условиях может приводить к вылечиванию ран и регенерации тканей. В целом, открываются широкие перспективы применения плазменной медицины для лечения различных заболеваний, однако, для дальнейшего продвижения этой технологии в медицине необходимо детальное изучение сложнейших физико-химических и биологических механизмов взаимодействия плазмы с клетками, микроорганизмами и другими биологическими системами.

• 1. Василец В. Н., Гуцол А. Ф., Шехтер А. Б., Фридман А., Плазменная медицина, Химия высоких энергий, том 43, № 3, с. 276−280 (2009)
• 2. Fridman G., Shereshevsky A., Peddinghaus M., Gutsol A., Vasilets V., Brooks A., Balasubramanian M., Friedman G., Fridman A. // Abstracts 37th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, San Francisco, California, 12−16 June. 2006. P. 23.
• 3. Fridman G., Shereshevsky A., Jost M., Brooks A., Fridman A., Gutsol A., Vasilets V., Friedman G. // Plasma Chem. Plasma Process. 2007. V. 27. P. 163.
• 4. Kalghatgi S.U., Fridman G., Cooper M., Nagaraj G., Peddinghaus M., Balasubramanian M., Vasilets V.N., Gutsol A.F., Fridman A, Friedman G. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2007. V. 35. P. 1559.
• 5. Fridman G., Brooks A.D., Balasubramanian M., Fridman A., Gutsol A., Va-silets V.N., Ayan H., Friedman G. //Plasma Process. Polym. 2007. V. 4. P. 370.
• 6. Ayan H., Fridman G., Gutsol A., Vasilets V. N., Fridman A., Friedman G. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2008. V. 36. P. 504.
• 7. Halim Ayan, Gregory Fridman, David Staack, Alexander F. Gutsol, Victor N. Vasilets, Alexander A. Fridman, and Gary Friedman, Heating Effect of Dielectric Barrier Discharges for Direct Medical Treatment, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, 2009, VOL. 37, NO. 1, pp. 113−120
• 8. Fridman G., Vasilets V.N., Gutsol A., Friedman G, Shekhter A.B., Fridman A. // Plasma Processes and Polymers. 2008. V. 5. N. 6. P. 503.
• 9. Moogega Cooper, Gregory Fridman, David Staack, Alexander F. Gutsol, Victor N. Vasilets, Shivanthi Anandan, Young I. Cho, Alexander Fridman, and Alexandre Tsapin, Decontamination of Surfaces From Extremophile Organisms Using Nonthermal Atmospheric-Pressure Plasmas, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, 2009, Volume: 37, Issue: 6, pp 866−871.
• 10. Kalghatgi S., Cooper M., Fridman G., Peddinghaus L., Nagaraj G., Balasubramanian M., Vasilets V. N., Gutsol A., Fridman A., Friedman G. // 18th International Symposium on Plasma Chemistry (ISPC-18), Kyoto, Japan, August 26−31, 2007, Proceedings. 2007. P. 138.
• 11. Shekhter, A.B.; Serezhenkov, V.A.; Rudenko, T.G.; Pekshev, A.V.; Vanin, A.F. // Nitric Oxide: Biol. and Chem. 2005. V. 12. P. 210.