Possibilities of use of arc-type discharge low-temperature air plasma of atmospheric pressure for burn wound treatment

Full Text

Введение. Удельный вес ожогового травматизма в Российской Федерации составляет около 3-4% от всех видов травм. Ежегодно в нашей стране около 400 тысяч людей подвергается воздействию терми- ческих, электрических или химических поражающих агентов, приводящих к формированию ожогов кожи различной локализации и глубины, треть из которых госпитализируется [2]. Оказание помощи данной категории пострадавших требует мультидисциплинарного подхода, реализу- емого с учетом патогенеза ожоговой болезни и осо- бенностей течения раневого процесса, характерного для данного вида повреждений [17]. Общепринятой как в нашей стране, так и за рубежом следует при- знать систему активного хирургического лечения тяжелообожженных [12]. Данный подход обладает рядом недостатков: относительно высокая частота лизиса аутодермотрансплантатов; неизбежность длительного этапного лечения и частых перевязок под наркозом; высокая частота местных и общих инфекционных осложнений; длительность реабили- тационного периода [1]. В арсенале хирурга, помимо традиционных спосо- бов восстановления кожного покрова пострадавших с ожогами, существует ряд методик воздействия на раны, основанных на различных физических факторах, к которым относятся ультрафиолетовое облучение, ультразвук, магнитно-лазерная терапия и др [7, 8, 11]. Они позволяют достичь антибактериального, проли- феративного эффекта, стимулировать капиллярный кровоток, улучшить микроциркуляцию и стимулиро- вать тканевой метаболизм [5]. Одной из перспективных физических методик воздействия на раневые поверхности признается применение плазмы, которая представляет собой ионизированный газ высокой температуры, состоя- щий из заряженных частиц, свободных электронов, ионов, химических радикалов, инфракрасного, уль- трафиолетового излучений [9]. Кроме температуры, электромагнитных полей, существенным фактором воздействия является способность компонентов плазмы повреждать структуру цитоплазматических мембран микроорганизмов и вирусов с поражением их системы жизнедеятельности [4]. ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 2 (62) - 2018 171 Экспериментальные исследования В 90-х годах XX в. появились первые сообщения о результатах применения плазменного потока гелия для обработки ожогов. В частности, воздействие на раны с помощью разработанного устройства (ап- парат «СУПР-М») ускоряло процесс очищения ран и стимулировало процессы их регенерации, а также повышало частоту приживления аутодермотрансплан- татов [13]. В клинической практике для лечения ран и ожогов активно используется ряд плазменных генераторов как отечественного, так и зарубежного производства. К ним относятся аппараты «Плазон» и «Плазма» (РФ), «The J-Plasma System» (Соединенные Штаты Америки - США) и «Neoplas Tools» (Германия) [3, 6, 15-18, 20]. В первых двух лечебное воздействие осуществляется путем подвода к биологическим тканям газовых пото- ков атмосферного воздуха с оксидом азота («Плазон») и аргона («Плазма») различной температуры (от тем- пературы окружающей среды до 4000°С). В генера- торах плазмы зарубежных производителей компании «The J-Plasma System» (США) используется самый легкий из стабильных, благородных газов - гелий, который может быть ионизирован при очень низкой энергии. Гелиевый газ, проходящий через возбуж- денный электрод, формирует сфокусированный поток плазмы [15, 16]. Аналогом установки является аппарат компании «Neoplas Tools» (Германия), которая выпу- стила первый плазменный генератор, использующий аргон, сертифицированный Евросоюзом для лечения хронических ран и гнойных заболеваний кожи [20]. Перечисленные медицинские плазмогенераторы обладают рядом недостатков: ширина зоны охвата составляет от 2 до 10 мм и ограничена техническими характеристиками оборудования; для работы необ- ходимы дополнительные комплектующие, представ- ленные баллонами с инертными газами (аргон, гелий); при их работе невозможно обеспечить мгновенную коагуляцию микрососудов более 2-3 мм в диаметре и, как следствие, стойкий гемостаз. Перспективным для оптимизации процессов ре- паративной регенерации при раневом процессе при- знается применение низкотемпературной воздушной плазмы дугового разряда атмосферного давления, ко- торая обладает комплексным эффектом (антимикроб- ный, гемостатический, пролиферативный). Рабочая температура генерируемой плазмы в разработанном нами ранее устройстве [15] колеблется в диапазоне ±50°C и не оказывает повреждающего действия на жизнеспособные ткани. Важной особенностью пред- ложенного аппарата является тот факт, что в качестве рабочего газа при генерации плазмы используется атмосферный воздух. Также эта методика способна обеспечивать достижение устойчивого гемостаза, при этом, в отличие от электро- или аргоноплазменной коагуляции, не происходит высокотемпературного повреждения окружающих тканей. Остановка кро- вотечения достигается за счет ускорения агрегации тромбоцитов и формирования фибринового сгустка. Обработка раневой поверхности плазменным факелом не только её стерилизует, но и предохраняет от микробного загрязнения из окружающей среды за счет формируемой нанопленки из тончайшего слоя коагулированного белка раневого экссудата. Материалы и методы. Экспериментальная ра- бота выполнена на 44 самцах крыс линии Wistar-Kyoto массой 230-250 гр. Общая продолжительность экс- перимента составила 40 суток. Все манипуляции с животными осуществляли под ингаляционным (эфир- ным) наркозом в асептических условиях. Ожоги кожи III степени воспроизводили по автор- ской методике (рационализаторское предложение № 14287/1 от 19.01.2016 г. Военно-медицинская академия). Спустя 60 мин после его воспроизведения выполняли некрэктомию до собственной фасции с последующей обработкой низкотемпературной воз- душной плазмой дугового разряда атмосферного давления и аппликацией средств местного лечения. Расстояние между источником пучка и раневой по- верхностью составляло 1,5-2 см (рис. 1). Рис. 1. Схема работы пучка низкотемпературной воздушной плазмы дугового разряда атмосферного давления Генерацию плазмы осуществляли разработанным нами оригинальным устройством [15] (рис. 2). В на- стоящее время это единственный известный прибор с таким принципом работы. Методика может быть признана уникальной. Разработанный плазменный генератор с диаметром факела 100 мм позволяет совместить в себе непосредственное воздействие вещества плазмы на поверхность с терапевтическим эффектом окиси азота. Все животные были разделены на 4 группы (по 11 особей) с учетом выбора методики их местного лече- ния: 1-я группа (контроль) - без лечения, 2-я группа - влажно-высыхающие повязки с растворами анти- септиков, 3-я группа - повязки с многокомпонентной антибактериальной мазью левомеколь, 4-я группа - обработка послеоперационных ран низкотемпера- 172 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Экспериментальные исследования турной воздушной плазмой дугового разряда атмос- ферного давления, формирование нанослоя пленки. Оценку эффективности анализируемых методик лечения ран проводили ежедневно. Выполняли ос- мотр ран, отмечали характер отделяемого, наличие и вид грануляций, фиксировали сроки отторжения струпа и заживления раневых поверхностей. Плани- метрически (методика Л.Н. Поповой [10]) определяли площадь раны и вычисляли индекс заживления по формуле: (S - Sn)×100 , S×T где S - площадь раны при предыдущем измерении, мм2 ; Sn - площадь раны при данном измерении, мм2; T - интервал между измерениями, сут. Отбор биоптатов для гистологического иссле- дования осуществляли на 2-е, 9-е, 15-е, 21-е, 35-е, 40-е сутки лечения. Парафиновые срезы окрашивали гематоксилином и эозином с последующим их иссле- дованием с помощью светооптической микроскопии. Обработка полученных результатов проводилась в соответствии с общепринятыми методами вариаци- онной статистики. Критерием достоверности считали величину p<0,05. Результаты и их обсуждение. Установлено, что исследуемые средства местного лечения обладали различным ранозаживляющим эффектом. Результаты сравнительной оценки сроков окончательного за- живления экспериментальных ран в зависимости от методики их лечения приведены в таблице 1. Таблица 1 Планиметрическая оценка процессов заживления ран в исследуемых группах животных За время эксперимента было зафиксировано 9 случа- ев развития гнойного воспаления различной степени выраженности. Наибольшая частота осложнений течения раневого процесса (54,5%) отмечена в 1-й группе. Во 2-й и 3-й группах аналогичный показатель составил 27,2 и 18,2% (p<0,05) соответственно. В 4-й группе был зафиксирован единичный эпизод развития гнойного воспаления (табл. 2). Таблица 2 Частота гнойных осложнений раневого процесса в исследуемых группах Группа Частота инфекционных осложнений, % 1-я 54,5±1,8 2-я 27,2±2,3* 3-я 18,2±1,2** 4-я 9%*** Примечание: * - различия по сравнению с 1-й группой; ** - по сравнению с 1-й и 2-й группами; *** - по сравнению с 1-й, 2-й и 3-й группами, p<0,05. Заживление экспериментальных ран у животных завершалось за счет их контракции и сопровожда- лось формированием рубца, сравнительный анализ площади которого к исходу 35 суток представлен в таблице 3. Таблица 3 Площадь рубца, сформировавшегося после заживления ран, в исследуемых группах Примечание: * - различия по сравнению с 1-й группой; ** - по сравнению с 1-й, 2-й и 3-й группами, p<0,05. Примечание: * - различия по сравнению с 1-й группой; ** - по сравнению с 1-й, 2-й и 3-й группами, p<0,05. Установлено, что при обработке ожоговых ран низкотемпературной воздушной плазмой дугового разряда атмосферного давления окончательное их за- живление наступает на 18-е сутки, что на 49% быстрее (p<0,05) по сравнению с группой животных, лечение которых не проводилось. При использовании повя- зок с растворами антисептиков и мазью левомеколь контракция дефекта отмечена на 28-е и 24-е сутки соответственно. В 1-й группе животных раны само- стоятельно заживали лишь к 35-м суткам. Ожоговые раны облигатно контаминированы ши- роким спектром патогенной микрофлоры, вызыва- ющим выраженную воспалительную реакцию и, как следствие, осложненное течение раневого процесса. Данные таблицы 3 позволяют заключить, что минимальная площадь рубца после окончательного заживления экспериментальных ран, зафиксирован- ная в группе животных, лечение которых проводили с использованием низкотемпературной воздушной плазмы дугового разряда атмосферного давления, составила лишь 4 см2, что на 67% меньше (p<0,05), чем в группе животных без лечения. Применение влажно-высыхающих повязок с растворами антисеп- тиков позволило снизить площадь рубца по сравнению с контролем на 25% (p<0,05), а повязок с много- компонентной мазью левомеколь на 42% (p<0,05). В контрольной группе, где лечение ран не проводилось, сформировался рубец площадью 12 см2. При гистологическом исследовании биоптатов ран установлено, что у животных 1-й группы на 15-е сутки в области экспериментальной раны определяется круп- ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 2 (62) - 2018 173 Экспериментальные исследования Рис. 2. Внешний вид разработанного устройства генерации плазмы Рис. 3. Кожа крысы 1-й группы на 15-е сутки после ожога III степени. Видна массивная инфильтрация нейтрофильными лейкоцитами, формирование зоны демаркации, вторичного некроза. Окраска гематоксилин- эозином. Ув. ×100 Рис. 5. Кожа крысы 4-й группы на 9-е сутки после ожога III степени. Видна новообразованная грануляционная ткань с незначительной лейкоцитарной инфильтрацией и очаги краевой эпителизации. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. ×100 Рис. 4. Кожа крысы 4-й группы на 3 сутки после ожога III степени. Видны участки белковой нанопленки и дермы с умеренной лейкоцитарной инфильтрацией. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. ×100 Рис. 6. Кожа крысы 4-й группы на 15-е сутки после ожога III степени. Видна созревшая грануляционная ткань с активной краевой эпителизацией. Окраска гематоксилин- эозином. Ув. ×100 174 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Экспериментальные исследования ный раневой дефект с обильным гнойным экссудатом на его поверхности. Субэпителиально визуализирует- ся волокнистая ткань дермы без деления на сосочко- вый и сетчатый слои, с массивными кровоизлияниями и очаговыми лимфогистиоцитарными инфильтратами с примесью нейтрофильных лейкоцитов (рис. 3). Применение влажно-высыхающих повязок с рас- творами антисептиков и мази левомеколь не позволи- ло существенно оптимизировать течение процессов репаративной регенерации. При использовании пер- вых на 15-е сутки рана была представлена крупным дефектом, на дне которого расположена волокнистая соединительная ткань с диффузной, слабо выражен- ной лимфогистиоцитарной инфильтрацией и очаговой примесью нейтрофильных лейкоцитов. Деление на сосочковый и сетчатый слои дермы не наблюдается. Определяется полнокровие множественных капилля- ров, мелкоочаговые кровоизлияния, зоны вторичного некроза. На фоне применения мази левомеколь на 15-е сутки в области раны отмечено наличие отечной волокнистой соединительной ткани с диффузной лимфогистиоцитарной инфильтрацией и примесью нейтрофильных лейкоцитов. Местами наблюдаются мелкие очаги отложения гемосидерина и вторичного некроза. На поверхности препарата определяется гнойный экссудат. Наибольшая выраженность ранних процессов репаративной регенерации отмечена в группе жи- вотных, раны у которых обрабатывали воздушным плазменным потоком. При гистологическом анализе биоптатов, взятых на 3-и сутки, установлено, что раневая поверхность представлена тонкой полоской сформированной пленки толщиной 50-70 нм из коагу- лированного белка раневого экссудата (рис. 4). На дне расположена дерма с нечеткой границей и умеренно выраженным отеком. Сохраняется диффузная, уме- ренно выраженная лимфоцитарная и нейтрофильная воспалительная инфильтрация. На 9-е сутки нанопленка на поверхности раны практически полностью отторглась. Дно дефекта представлено новообразованными грануляциями. Отек выражен незначительно. В очаге сохраняется диффузная, слабовыраженная лимфоцитарная и нейтрофильная воспалительная инфильтрация. Пред- ставлены очаги эпителизации с краев раны в виде тонкого клина с дифференцировкой эпителия (рис. 5). К 15-м суткам нанопленка на поверхности раны полностью отторглась. По периферии раны визуали- зируется эпителиальный вал, активно распростра- няющийся на созревшую грануляционную ткань. От- ека нет. Сохраняется слабовыраженная диффузная, лимфоцитарная и нейтрофильная воспалительная инфильтрация (рис. 6). Таким образом, применение низкотемпературной воздушной плазмы дугового разряда атмосферного давления по сравнению с традиционными методиками ведения ожоговых ран позволяет оптимизировать те- чение раневого процесса и, как следствие, уменьшить сроки заживления и площадь рубца. Формируемая в ходе обработки плазменным потоком на раневой по- верхности тонкая биологическая пленка из нанослоя коагулированных белков раневого экссудата белка является эффективным барьером, так называемым «протезом эпидермиса», предохраняющим рану от пересыхания и вторичной контаминации. Заключение. Установлено, что применение низко- температурной воздушной плазмы дугового разряда атмосферного давления при лечении пострадавших от ожогов является перспективной методикой, позволя- ющей оптимизировать раневой процесс в зоне дефек- тов кожи, в том числе и глубокого ожога. Применение данной методики позволяет ускорить процесс регене- рации ран на 49%, а также уменьшить площадь фор- мируемого рубца на 67% (p<0,05). Обработка раны низкотемпературной воздушной плазмой дугового разряда атмосферного давления после ранней хирур- гической некрэктомии позволяет генерировать на по- верхности раны так называемую нанопленку толщиной 50-70 нм из слоя коагулированных белков раневого экссудата и клеточных фрагментов, непроницаемую для микроорганизмов, обладающую избирательной паро- и влагопроницаемостью. Обработка плазмой и формирование пленки уменьшает обсемененность ран патогенной микрофлорой, предотвращает пере- сыхание и, как следствие, позволяет снизить частоту развития гнойных осложнений и протяженность зон вторичного некроза.

About the authors

E V Zinovyev

V N Tsygan

M S Asadulayev

O V Borisov

I M Lopatin

Email: forlopatin@yandex.ru

S A Lukyanov

I V Artsimovich

M B Paneyakh

D V Kostyakov

S N Kravtsov

V V Zubov

K F Osmanov

References

Supplementary files