vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2020-65-1-72-82vestift-582Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERВлияние воздействия низкотемпературной плазмы атосферного барьерного разряда на структуру и свойства мембран эритроцитов и тромбоцитовInfluence of the low-temperature plasma of the atospheric barrier discharge on the structure and properties of the membranes erythrocytes and plateletsМельниковаГ. Б.MelnikovaG. B.

Мельникова Галина Борисовна – кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Galina B. Melnikova – Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Senior Researcher

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

galachkax@gmail.comЛапицкаяВ. А.LapitskayaV. A.

Лапицкая Василина Александровна – научный сотрудник

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Vasilina A. Lapitskaya – Researcher

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

vasilinka.92@mail.ruКузнецоваТ. А.KuznetsovaT. A.

Кузнецова Татьяна Анатольевна – кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего лабораторией нанопроцессов и технологий

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Tatyana A. Kuznetsova – Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Senior Researcher

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

kuzn06@mail.ruТолстаяТ. Н.TolstayaT. N.

Толстая Татьяна Николаевна – научный сотрудник

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Tatyana N. Tolstaya – Researcher

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

tolstaya.tn@yandex.ruЧижикС. А.ChizhikS. A.

Чижик Сергей Антонович – академик Национальной академии наук Беларуси, доктор технических наук, профессор, первый заместитель Председателя Президиума НАН Беларуси (пр. Независимости, 66, 220072, Минск); главный научный сотрудник, ИТМО НАН Беларуси (ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск)

Sergei A. Chizhik – Academician of the National Academy of Sciences of Belarus, D. Sc. (Engineering), Professor, First Deputy Chairman of the Presidium of the National Academy of Sciences of Belarus (66, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk); Chief Researcher, A. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus (15, P. Brovka Str., 220072, Minsk)

chizhik_sa@tut.byКотовД. А.KotovD. A.

Котов Дмитрий Анатольевич – кандидат технических наук, доцент, руководитель НИР, директор Центра 4.13

ул. П. Бровки, 66, 220013, Минск

Dmitrii A. Kotov – Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Director of Center “Engineering and Educational center “Isovac-BSUIR”

66, P. Brovka Str., 220013, Minsk

kotov@bsuir.byИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук БеларусиA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси; Президиум Национальной академии наук БеларусиA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus; Presidium of the National Academy of Sciences of BelarusБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics2020060420206517282Copyright © Мельникова Г.Б., Лапицкая В.А., Кузнецова Т.А., Толстая Т.Н., Чижик С.А., Котов Д.А., 20202020Мельникова Г.Б., Лапицкая В.А., Кузнецова Т.А., Толстая Т.Н., Чижик С.А., Котов Д.А.Melnikova G.B., Lapitskaya V.A., Kuznetsova T.A., Tolstaya T.N., Chizhik S.A., Kotov D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/582

Низкотемпературная плазма атмосферного барьерного разряда (ПБР) применяется для лечения различных типов заболеваний и повреждения кожи и мягких тканей, однако механизм взаимодействия ПБР с биологическим материалом к настоящему моменту точно не установлен. Одним из перспективных методов, позволяющих оценить изменения структуры и свойств мембран клеток на наноуровне, является атомно-силовая микроскопия (АСМ). В данной работе представлены результаты влияния ПБР на структуру и свойства эритроцитов и тромбоцитов. АСМ-методом изучены морфометрические и локальные механические свойства поверхности клеток, что является одним из характеристических параметров оценки изменений, происходящих на молекулярном уровне с клеточной мембраной. Авторами использовался экспериментальный комплекс для генерации низкотемпературной плазмы диэлектрического барьерного разряда на основе устройства коаксиального типа и регулируемой мощностью источника от 10 до 30 Вт. Установлено изменение структуры мембран эритроцитов с сохранением формы самих клеток. Для эритроцитов, высушенных на воздухе, отмечается резкий рост силы адгезии после воздействия ПБР. На поверхности эритроцитов и тромбоцитов установлено наличие частиц субмикронного размера, что может быть следствием выхода содержимого клетки или разрушительного воздействия плазмы на белки наружного слоя мембраны. Фиксированные 0,5%-ным раствором глутарового альдегида на подложках слюды образцы клеток сохраняют свою дисковидную форму и структуру мембраны, что может быть связано с образованием ковалентных сшивок между липидами мембраны и глутаровым альдегидом, а также остаточным содержанием жидкости в объеме клетки после взаимодействия с химическим реагентом. Эритроциты являются более устойчивыми к кратковременному воздействию ПБР (1 мин) по сравнению с тромбоцитами. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при установлении закономерностей и протекания биохимических процессов под воздействием ПБР на клетки крови.

The plasma of the atmospheric barrier discharge (PBR) is used to treat various types of diseases and damage to the skin and soft tissues; however, the mechanism of interaction of PBR with biological material has not been precisely established to date. One of the promising methods for estimation changes in the structure and properties of cell membranes at the nanoscale is atomic force microscopy (AFM). In this article the results of the influence of the barrier discharge low-temperature plasma on the structure and properties of erythrocytes and platelets are presented. By the AFM-method, the shape, morphology of membranes, and adhesive forces on the surface of the cells were determined, which is one of the characteristic parameters for assessing changes occurring at the molecular level with the cell membrane. In this work, we used an experimental complex for generating a low-temperature plasma of a dielectric barrier discharge based on a coaxial type device and an adjustable source power from 10 to 30 W. A change in the structure of the erythrocyte membranes without changing the shape of the cells themselves was established. On the non-fixed erythrocytes, the adhesion force is increased after exposure. On the surface of both erythrocytes and platelets, the presence of particles of submicron size was established, which may be due to the release of cell contents or the destructive effect of plasma on the proteins of the outer layer of the membrane. The cells, which are fixed with a 0.5-mm solution of glutaraldehyde on mica substrates, both retain their disk-like shape and membrane structure, which may be due to the formation of covalent cross-links between membrane lipids and glutaraldehyde, and residual liquid content in the cell volume after interaction with a chemical reagent. Red blood cells are more resistant to short-term exposure to PBR (1 minute) compared with platelets. The results of the studies can be used to establish patterns and the biochemical processes under the influence of PBR on blood cells.

эритроцитытромбоцитыатомно-силовая микроскопияструктуранизкотемпературная плазма диэлектрического барьерного разрядасила адгезииerythrocyteplateletsatomic force microscopystructurelow temperature plasmadielectric barrier dischargeadhesion forceРабота выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований в рамках проекта Ф17-118, осуществляемого совместно с Белорусским государственным университетом информатики и радиоэлектроники.The work was supported by the Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research (Project F17-118) together with the Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics.ReferencesBactericidal effects of non-thermal argon plasma in vitro, in biofilms and in the animal model of infected wounds / S. A. Ermolaeva [et al.] // J. Med. Microbiol. – 2011. – Vol. 60, iss. 1. – P. 75–83. https://doi.org/10.1099/jmm.0.020263-0Ermolaeva S. A., Varfolomeev A. F., Chernukha M. Yu., Yurov D. S., Vasiliev M. M., Kaminskaya A. A., Moisenovich M. M., Romanova J. M., Murashev A. N., Selezneva I. I., Shimizu T., Sysolyatina E. V., Shaginyan I. A., Petrov O. F., Mayevsky E. I., Fortov V. E., Morfill G. E., Naroditsky B. S., Gintsburg A. L. Bactericidal effects of non-thermal argon plasma in vitro, in biofilms and in the animal model of infected wounds. Journal of Medical Microbiology, 2011, vol. 60, iss. 1, pp. 75–83. https://doi.org/10.1099/jmm.0.020263-0Laroussi, M. Low temperature plasma-based sterilization: overview and state-of-the-art / M. Laroussi // Plasma Process Polym. – 2005. – Vol. 2, iss. 5. – P. 391–400. https://doi.org/10.1002/ppap.200400078Laroussi M. Low temperature plasma-based sterilization: overview and state-of-the-art. Plasma Processes and Polymers, 2005, vol. 2, iss. 5, pp. 391–400. https://doi.org/10.1002/ppap.200400078Laroussi, M. Sterilization of contaminated matter with an atmospheric pressure plasma / M. Laroussi // IEEE Trans. Plasma Sci. – 1996. – Vol. 24, iss. 3. – P. 1188–1191. https://doi.org/10.1109/27.533129Laroussi M. Sterilization of contaminated matter with an atmospheric pressure plasma. IEEE Transactions on Plasma Sciences, 1996, vol. 24, iss. 3, pp. 1188–1191. https://doi.org/10.1109/27.533129Влияние ультрафиолетового излучения и излучения плазмы импульсного искрового разряда на зародышевые структуры и мицелий микромицетов-деструкторов / А. А. Ичеткина [и др.] // Вестн. Нижнегород. ун-та им. Н. И. Лобачевского. – 2011. – Т. 2, № 2. – С. 196–201.Ichetkina A. A., Trofimova S. V., Kryazhev D. V., Ivanova I. P., Smirnov V. F. The effect of ultraviolet radiation and pulse spark discharge plasma radiation on embryonal structures and mycelium of micromyces-destructors. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta imeni N.I. Lobachevskogo = Vestnik of Lobachevsky University of Nizhni Novgorod, 2011, vol. 2, no. 2, pp. 196–201 (in Russian).Исследование механизмов биоцидного действия излучения плазмы искрового разряда / И. П. Иванова [и др.] // Современные технологии в медицине. – 2012. – № 3. – С. 12–18.Ivanova I. P., Trofimova S. V., Piskaryov I. M., Burkhina O. E., Sysoeva V. A., Karpel Vel Leitner N. The study of biocidal mechanisms of spark discharge plasma radiation. Sovremennye tekhnologii v meditsine = Modern Technologies in Medicine, 2012, no. 3, pp. 12–18 (in Russian).Kunhardt, E. E. Generation of large volume atmospheric pressure non-equilibrium plasmas / E. E. Kunhardt // IEEE Trans. Plasma Sci. – 2000. – Vol. 28, № 1. – P. 189–200. https://doi.org/10.1109/27.842901Kunhardt E. E. Generation of large volume atmospheric pressure non-equilibrium plasmas. IEEE Transactions on Plasma Sciences, 2000, vol. 28, no. 1, pp. 189–200. https://doi.org/10.1109/27.842901Kogelschatz, U. Filamentary, patterned, and diffuse barrier discharges / U. Kogelschatz // IEEE Trans. Plasma Sci. – 2002. – Vol. 30, № 4. – P. 1400–1408. https://doi.org/10.1109/TPS.2002.804201Kogelschatz U. Filamentary, patterned, and diffuse barrier discharges. IEEE Transactions on Plasma Sciences, 2002, vol. 30, no. 4, pp. 1400–1408. https://doi.org/10.1109/TPS.2002.804201Fridman, G. Medical applications of floating electrode dielectric barrier discharge (FE-DBD) / G. Fridman // First International Conference on Plasma Medicine (ICPM-1). Corpus Christi. – Texas, 2007. – P. 27–32.Fridman G. Medical applications of floating electrode dielectric barrier discharge (FE-DBD). First International Conference on Plasma Medicine (ICPM-1). Corpus Christi. Texas, 2007, pp. 27–32.Трофимова, С. В. Анализ структурных изменений прокариотических и эукариотических клеток под воздействием излучения плазмы искрового разряда / С. В. Трофимова, И. П. Иванова, М. Л. Бугрова // Фундамент. исслед. – 2013. – № 4–1. – С. 130–133.Trofimova S. V., Ivanova I. P., Bugrova M. L. The analysis of structural changes of prokaryotic and eukaryotic cell under the influence of plasma spark radiation. Fundamental’nye issledovaniya = Fundamental Research, 2013, vol. 4–1, pp. 130– 133 (in Russian).Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты / Е. Б. Меньщикова [и др.]. – М.: Слово, 2006. – 556 с.Men’shchikova E. B., Lankin V. Z., Zenkov N. K., Bondar’ I. A., Krugovykh N. F., Trufakin V. A. Oxidative Stress. Prooxidants and Antioxidants. Moscow, Slovo Publ., 2006. 556 p. (in Russian).Atomic force microscopy probing of cell elasticity / T. G. Kuznetsova [et al.] // Micron. – 2007. – Vol. 38, № 8. – P. 824–833. https://doi.org/10.1016/j.micron.2007.06.011Kuznetsova T. G., Starodubtseva M. N., Yegorenkov N. I., Chizhik S. A., Zhdanov R. I. Atomic force microscopy probing of cell elasticity. Micron, 2007, vol. 38, no. 8, pp. 824–833. https://doi.org/10.1016/j.micron.2007.06.011Influence of polyacrylic acid nanoparticles on the elastic properties of RBCs membranes in patients with diabetes mellitus type 2 / G. B. Melnikova [et al.] // Series on Biomechanics. − 2015. − Vol. 29, № 4. – P. 12−19.Melnikova G. B., Kuzhel N. S., Tolstaya T. N., Konstantinova E. E., Drozd E. S., Shyshko O. N., Mokhort T. V., Antonova N., Kowalczuk A., Koseva N. Influence of polyacrylic acid nanoparticles on the elastic properties of RBCs membranes in patients with diabetes mellitus type 2. Series on Biomechanics, 2015, vol. 29, no. 4, pp. 12−19.The changes in particle distribution over the polymer surface under the dielectric barrier discharge plasma / V. A. Lapitskaya [et al.] // Int. J. Nanosci. – 2019. – Vol. 18, Nos. 3, 4. – P. 1940079. https://doi.org/10.1142/s0219581x19400799Lapitskaya V. A., Kuznetsova T. A., Melnikova G. B., Chizhik S. A., Kotov D. A. The changes in particle distribution over the polymer surface under the dielectric barrier discharge plasma. International Journal of Nanoscience, 2019, vol. 18, nos. 3, 4, pp. 1940079. https://doi.org/10.1142/s0219581x19400799Investigation of the structure of nanocrystalline refractory oxides by X-ray diffraction, electron microscopy, and atomic force microscopy / T. M. Ulyanova [et al.] // Crystallogr. Rep. – 2006. – Vol. 51. – S144–S149. https://doi.org/10.1134/s1063774506070212Ulyanova T. M., Titova L.V., Medichenko S.V., Zonov Yu. G., Konstantinova T. E., Glazunova V. A., Doroshkevich A. S., Kuznetsova T. A. Investigation of the structure of nanocrystalline refractory oxides by X-ray diffraction, electron microscopy, and atomic force microscopy. Crystallography Reports, 2006, vol. 51, S144–S149. https://doi.org/10.1134/s1063774506070212Влияние обработки поверхностей материалов в плазме диэлектрического барьерного разряда на их морфологию и гидрофильные свойства / В. А. Лапицкая [и др.] // Инж.-физ. журн. – 2019. – Т. 92, № 5. – C. 2389–2394. https://doi.org/10.1007/s10891-019-02050-1Lapitskaya V. A., Kuznetsova T. A., Rogachev A. A., Melnikova G. B., Chizhik S. A., Kotov D. A. Influence of processing in a plasma of dielectric barrier discharge on morphology and hydrophilic properties of surfaces of glass, metal and polymers. Journal of Engineering Physics, 2019, vol. 92, no. 5, pp.1349–1354 (in Russian). https://doi.org/10.1007/s10891-019-02050-1Возможности применения холодной атмосферной плазмы в онкологии (Обзор литературы) / В. Н. Короткий // Сибир. онкол. журн. – 2018. – T. 17, № 1. – С. 72–81. https://doi.org/10.21294/1814-4861-2018-17-1-72-81Korotky V. N. Feasibility of using cold atmospheric plasma in the treatment of cancer patients (literature review). Siberian Journal of Oncology, 2018, vol. 17, no. 1, pp. 72–81. https://doi.org/10.21294/1814-4861-2018-17-1-72-81

The authors declare that there are no conflicts of interest present.