Специалисты Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН изучили воздействие холодной плазменной струи на раковые клетки. В результате экспериментов на мышах и клетках человека ученым удалось оценить цитотоксический эффект нового способа терапии, а также выявить параметры обработки опухоли и подобрать экспериментальные условия облучения, позволяющие приблизиться к максимально эффективному и безопасному лечению.

Современные подходы к работе с онкологическими заболеваниями, такие как хирургическая резекция, химио-, радиационная, гормональная и таргетная терапии, не лишены недостатков, и их воздействие на организм больного, кроме противоопухолевых эффектов, также может оказывать негативное влияние. К примеру, частыми проблемами при использованиях химио- и радиотерапии является общая токсичность и поражение здоровых тканей. В последнее время внимание исследователей привлекает новый перспективный подход — применение холодной плазмы.

«Холодная плазменная струя (ХПС) атмосферного давления представляет собой последовательность стримеров, распространяющихся в окружающей среде в потоке инертного газа. Плазма является холодной и позволяет создавать химически активные вещества без чрезмерного нагрева газа и воздействовать на мишени, в том числе на живые организмы, чувствительные к нагреву, при этом увеличение температуры в зоне контакта плазмы и биообъекта не превышает нескольких градусов. Особенностью плазменной струи является генерация в окружающей среде ионов, кислород- и азотсодержащих радикалов, активно воздействующих на клетки биологической ткани. Таким образом, с помощью ХПС можно контролировать и стимулировать биологические процессы в живых организмах. Установку для генерации ХПС создали ученые из Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН и Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН, мы же работали с клеточными культурами и проводили эксперименты при помощи полученного устройства», — рассказал старший лаборант лаборатории биотехнологий ИХБФМ СО РАН Михаил Михайлович Бирюков.

Для оценки воздействия устройства на раковые клетки ученые использовали прибор iCEL Ligence, позволяющий в режиме реального времени анализировать изменение количества живых клеток. Специалисты провели эксперименты на культурах опухолевых клеток мышей и пришли к выводу, что наиболее чувствительными к облучению ХПС являются клетки рабдомиосаркомы MX7. Потом ученые перешли к сравнению чувствительности онкотрансформированных и здоровых клеток легкого человека и определили условия облучения, при которых происходило уничтожение только раковых клеток, причем оптимальная продолжительность облучения составила одну минуту.

«Кроме того, мы также обнаружили бо́льшую эффективность ХПС при изменении распределения электрического поля в пространстве между соплом генератора плазменной струи и биологическим объектом. В этом случае биологические образцы помещались на заземленную подложку. Подобные эксперименты являются новаторской разработкой авторов исследования. Опыт провели на примере клеток эпителия и аденокарциномы молочной железы человека. Цитотоксический эффект от облучения с использованием подложки оказался значительно выше, при этом погибали в большей степени раковые клетки, чем нормальные. Световая микроскопия позволила увидеть существенные изменения в морфологии облученных клеток, по сравнению с необработанными», — добавил Михаил Бирюков.

После того как ученые подобрали оптимальные параметры облучения, был проведен эксперимент на мышах с подкожно трансплантированными опухолевыми клетками, в котором следили за концентрацией белка HMGB1 в плазме крови облученных животных с опухолью и здоровых животных. Выход ядерного белка во внеклеточное пространство является одним из маркеров иммуногенной клеточной гибели. Через 24 часа после облучения концентрация HMGB1 в плазме крови больных мышей увеличилась в два раза, по сравнению со здоровыми, для которых эффекта увеличения количества белка не наблюдалось, что косвенно подтверждает гибель опухолевых клеток.

«Опытным путем мы установили оптимальные параметры работы генератора холодной плазменной струи, после чего провели эксперименты, показывающие не только высокую эффективность нового способа лечения опухолевых заболеваний, но и безопасность его применения для здоровых тканей организма человека», — отметил Михаил Бирюков.

Доклад «Холодная плазменная струя как новый противоопухолевый подход» был представлен на секции «Биофизика» научной конференции форума OpenBio.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 19–19–00255. Инициатор работ — ведущий научный сотрудник лаборатории вычислительной аэродинамики ИТПМ СО РАН доктор физико-математических наук Ирина Вячеславовна Швейгерт.