Введение к работе
Актуальность
Исследование механизмов влияния различных физических факторов является актуальной проблемой биологии. Выявление и анализ биологических эффектов, которые определяются физическими воздействиями на клеточном уровне и организме в целом представляет огромный интерес для исследователей мирового сообщества. В последние несколько десятилетий внимание ученых привлекает низкотемпературная газоразрядная плазма и в частности излучение газоразрядной плазмы (Laroussi M., 1995, 1996; Fridman A. 2008; Иванова И.П., 2005, 2009, 2012; Пискарев И.М., 2013).
Установлены такие эффекты плазмы как бактерицдый и спороцидный, активация апоптоза, регенерация, которые представлены в зарубежных научных публикациях (Kieft I.E., 2006; Fridman A., 2008; Kalghatgi S.U., 2006; Laroussi M., 1995, 1996, 2002, 2004, 2009).
К настоящему моменту непосредственные механизмы действия низкотемпературной газоразрядной плазмы не известны, однако в работах: Laroussi M. et al., 2002; Mogul R. et al., 2003; Kieft I. E. et al., 2005; Fridman G., et al., 2006; Kalghatgi S. U., 2006, 2007; Shashurin A. et al., 2008 указывается на изменения структуры мембран, ДНК, ферментативной активности как прокариотических, так и эукариотических клеток.
Данные полученные в научных лабораториях оказываются противоречивыми в отношении вклада различных факторов плазмы (ионы, радикалы, электромагнитные поля, излучение плазмы) в цитотоксическое действие, поэтому исследования в данном направлении представляют интерес.
Известно, что излучение плазмы искрового разряда вызывает торможение пролиферативной активности клеток (Иванова И.П., 2005, 2009, 2012). В зоне разряда в процессе плазмохимических реакций образуются радикальные продукты и активные частицы (Piskarev I.M., 2012; Joshi S.G., 2011; Fridman A., 2008), однако их роль в биологических эффектах не изучена.
До настоящего времени не оценены продукты, образующиеся как в газовой, так и в жидкой фазе после воздействия излучением плазмы и не проводилось исследования структурно-функционального состояния мембран, надмембранных структур, метаболической активности клеток после воздействия излучением плазмы искрового разряда.
В связи с этим комплексное изучение продуктов газовой и жидкой фаз и исследование структурно-функционального состояния прокариотических и эукариотических клеток после воздействия излучением плазмы искрового разряда является актуальным.
Цель и задачи исследования
Цель работы – исследование основных продуктов, образующихся в газовой и жидкой фазах, при генерации искрового разряда. Оценка изменений структурно-функционального состояния прокариотических и эукариотических клеток под действием излучения плазмы искрового разряда.
Основные задачи исследования
-
Изучение продуктов, образующихся в газовой фазе при генерации излучения плазмы искрового разряда
-
Анализ основных продуктов, образующихся в жидкой фазе, под действием излучения плазмы искрового разряда
-
Исследование функциональных и структурных параметров прокариотических клеток после воздействия излучением плазмы искрового разряда
-
Оценка структурно-функционального состояния эукариотических клеток (эритроцитов, лимфоидных и эпителиальных клеток) после воздействия излучением плазмы искрового разряда
Научная новизна
Доказано образование нитросоединений, содержащих группы CN, NH, и органических соединений содержащих группы CH, CC в газовой фазе при генерации излучения плазмы искрового разряда с изучаемыми параметрами.
Впервые показано, что основной вклад в снижение рН и накопление окислителей и восстановителей под действием излучения плазмы искрового разряда дает ультрафиолетовый диапазон с длиной волны l>185 нм и образующиеся азотистые соединения. Установлено, что под действием изучения плазмы искрового разряда в воде не образуются первичные гидроксильные радикалы и образуются радикалы HO2. Идентифицировано образование ионов NO3- и NH4+. Выявлено, что в жидкости под действием излучения плазмы искрового разряда не накапливаются молекулы H2O2.
Установлено, что поверхностные надклеточные структуры, гидрофобность мембраны, внутриклеточное рН, перекисное окисление липидов, восстановленное состояние коферментов не оказывают влияния на жизнеспособность прокариотических клеток. Ведущими механизмами в снижении жизнеспособности прокариотических клеток после обработки излучением плазмы искрового разряда являются окислительная модификация белков, повреждение и отслаивание клеточной стенки, а также деградация рибосом и нуклеоида. Показано, что повреждение пептидогликана способствует проникновению излучения плазмы во внутренние структуры спор и деструктивным процессам в молекулах ДНК.
Впервые в мире показано, что определяющими в механизмах повреждения цитоплазматических мембран эритроцитов под действием излучения плазмы являются окислительная модификация белковых молекул, увеличение восстановленного НАД(Ф)Н и окисленного ФАД. Установлено, что под действием излучения плазмы искрового разряда в эритроцитах не наблюдается интенсификации процессов ПОЛ и значительных изменений в структуре липидов и фосфолипидов мембран.
Впервые показано, что ведущими механизмами в снижении жизнеспособности эпителиальных и лимфоидных клеток являются деградация белковых молекул и надмембранных структур, увеличение восстановленного НАД(Ф)Н и окисленного ФАД, нарушения в структуре цитоплазматической и ядерной мембран, деструктивные процессы в ДНК.
Впервые в мире установлено, что эритроциты крыс, лимфоидные и эпителиальные клетки являются более устойчивыми к действию излучения плазмы искрового разряда, чем прокариотические клетки.
Теоретическая и практическая значимость работы
Полученные данные позволяют объяснить биологические эффекты излучения плазмы искрового разряда и дать физиологически обоснованные рекомендации по их использованию при проведении биологических исследований и применении в ветеринарии. Результаты, полученных исследований положены в основу разработанных в НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова в 2011 году экспериментальных устройств ПИЛИМИН серии ИР-10 и ИР-1, генерирующих излучение плазмы искрового разряда. Устройства используются для физиолого-биохимических и физико-химических исследований в НИИ ПФМ НижГМА и НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ.
Данные о механизмах действия излучения плазмы искрового разряда на структурно-функциональное состояние прокариотических и эукариотических клеток могут быть включены в учебные программы по курсам биологии, физиологии, биохимии и патофизиологии при подготовке специалистов медико-биологического и ветеринарного профиля.
Положения, выносимые на защиту
-
При генерации излучения плазмы искрового разряда в газовой фазе разряда образуются нитросоединения (-N-N=O) и соединения содержащие группы –C-N и -N-H, а также органические соединения с -C-H- и –C-C- группами.
-
Под действием излучения плазмы разряда в пробах воды и растворе хлорида натрия снижается pH, накапливаются окислители и восстановители, увеличивается окислительно-восстановительный потенциал. В растворах глюкозы и альбумина под действием излучения плазмы преобладают окислительные процессы.
-
Излучение плазмы искрового разряда обладает бактерицидным действием в отношении грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов. Ведущими механизмами в снижении жизнеспособности прокариотических клеток после обработки излучением плазмы разряда являются окислительная модификация белков, повреждение и отслаивание клеточной стенки, а также деградация рибосом и нуклеоида.
-
Окислительная модификация белковых молекул, увеличение восстановленного НАД(Ф)Н и окисленного ФАД являются определяющими в механизмах повреждения цитоплазматических мембран эритроцитов.
-
Факторами определяющими цитотоксический эффект излучения газоразрядной плазмы в отношении лимфоидных и эпителиальных клеток являются снижение вязкости мембраны, окисление белковых молекул, увеличение восстановленного НАД(Ф)Н и окисленного ФАД, нарушение целостности цитоплазматической и ядерной мембран, повреждения ДНК.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: Х научной сессии молодых ученых и студентов «Современные решения актуальных научных проблем в медицине (Н.Новгород, 2011); VI региональной конференции молодых ученых-онкологов «Актуальные вопросы экспериментальной и клинической онкологии» (Томск, 2011); II международной научной конференции «Высокоинтенсивные физические факторы в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии» (Саров, 2011); VII региональной конференции молодых ученых-онкологов «Актуальные вопросы экспериментальной и клинической онкологии» (Томск, 2012); VII International conference plasma physics and plasma technology PPPT-7 Reportes (Minsk, 2012); 17-ой Нижегородской сессии молодых ученых (Нижегородская обл., Арзамасский р-н, 2012); международной научной конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» (Шарм-эль-Шейх, 2012); II международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития науки в начале третьего тысячелетия в странах СНГ» (Переяслав-Хмельницкий, 2012); международной научной конференции «Актуальные вопросы науки и образования» (Москва, 2012); 40-ой международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2013); научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 2013).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ из них 7 работ в рецензируемых журналах рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации
