Плазма в медицине: от "античных" времен до наших дней

Содержание статьи

• 1. ВВЕДЕНИЕ
• 2. НИКОЛА ТЕСЛА
• 3. АРСЕН Д’АРСОНВАЛЬ
• 4. ПОЛ УДЕН
• 5. ФРЕДЕРИК СТРОНГ
• 6. НАШИ ДНИ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТОКОВ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ И КЛЕТКАМИ
• 7. СРАВНЕНИЕ ИСТОРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОТЕРАПИИ И СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ ПЛАЗМЕННОЙ МЕДИЦИНЫ
• 8. МЕХАНИЗМЫ РАБОТЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭЛЕКТРОТЕРАПИИ И ПЛАЗМЕННОЙ МЕДИЦИНЫ
• 9. УГАСАНИЕ ИНТЕРЕСА К ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕРАПИИ
• 10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Введение

Использование электричества в медицинских целях имеет давнюю историю, уходя корнями чуть ли не в античную древность. Однако всерьез за этот вопрос взялись не так давно. Вместе с бурным развитием науки и техники, стартовавшим уже в первой половини 19-го века, появились различные разработки в области создания и применения всевозможных устройств на основе электричества: в одних использовалось импульсное статическое электричество (так называемая «франклинизация»), в других - постоянные токи («гальванизация»), а в третьих - переменные электрические токи («фарадизация»). Эффекты подобными устройствами производились зачастую загадочные, а иногда, на тот момент, совершенно непонятные. Как результат, в те первые “дни” электричества и магнетизма в медицине сама концепция воспринималась весьма противоречиво и часто игнорировалась, как разновидность шарлатанства и мошенничества. Тем не менее, истинно научные исследования физиологических эффектов, производимых электричеством на живые организмы (и, понятное дело, на человека) были начаты уже в 60-70-е годы 19-го века различными европейскими учеными, главным образом в Германии и Франции.

А в 80-е годы того же столетия, благодаря зарождающемуся, наконец-то, понимаю физики процессов, обусловленных электричеством и магнетизмом, развитие медицинского направления в Европе пошло бурными темпами. Так, к началу 20-го века там появилось множество центров электротерапии, особенно в той же Германии и Франции, а некоторое их количество открылось также в Северной Америке. Под новую тему были созданы соответствующие научные журналы и сообщества. Именно в этот период началось интенсивное изучение и использование высокочастотных токов. В этом контексте, можно утверждать, что тогда же и зародилось само понятие «плазма в медицине». Дело в том, что одним из способов соединения высокочастотных электрических токов с телом (что свинки, что человека) является использование низкотемпературной неравновесной плазмы, которая появляется, например при коронном, искровом или дуговом разряде в воздухе. Кстати, “прелести” электрического разряда мы испытываем на себе почти каждый день, когда снимаем, например, наэлектризованный свитер и слышим, как он потрескивает.

Среди множества изобретателей, пожалуй, наиболее известным (в основном благодаря весьма броскому электромобилю с одноименным названием и целой куче мистических голливудских фильмов) является Никола Тесла, который на самом деле внес весьма существенный вклад в создание электрических устройств и развитие медицинского направления. О нем и о ряде других исследователей будет рассказано подробнее чуть ниже, в соответствующих разделах.

Первые попытки использовать высокочастотные электрические токи для лечения были сосредоточены почти исключительно на эффектах возникающих при пропускании этих токов через организм. Но уже тогда было понятно, что электрические разряды, возникающие в воздухе (специально или как побочный эффект), могут приводить к образованию вокруг точки приложения в том числе и различных газов, таких как озон и оксиды азота. Считалось, что в случае появления озона это имеет важный терапевтический эффект. Тем не менее, основной акцент все таки делался именно на протекающие токи. Как ни странно, после 30-х годов уже 20-го века это направление сошло практически на нет, а большинство исследователей сконцентрировалось на терапевтических эффектах связанных именно с возникающей плазмой.

Никола Тесла

Никола Тесла (картинка 1), этнический серб, родился в 1856 году в бывшей Австро-Венгерской империи. Там он получил образование, а впоследствии эмигрировал в Соединенные Штаты (1884 год). Тесла изобрел и разработал целый ряд знаменательных электрических и механических устройств. Благодаря многочисленными изобретениям он стал широко известен публике, часто демонстрируя свои устройства богатеям того времени и знаменитостям. Его талант и мастерство сочетались с научной изобретательностью и проницательностью.

Картинка 1. Никола тесла в молодости.

Одно из изобретений Теслы - появившийся к 1890 году резонансный емкостно-индуктивный контур, способный генерировать электрические импульсы с частотой более 15 кГц и напряжением в десятки киловольт. При правильно подобранных условиях такой контур может создавать впечатляюще большие разряды (практически молнии) даже в обычном воздухе (т.е. плазменный разряд при атмосферном давлении).

Не вдаваясь сильно в подробности, хитроумное устройство Теслы основано на соединении первичного и вторичного трансформаторов, использовании конденсаторов и искрового промежутка. В конечном итоге переменный ток в первичной цепи возбуждает высокое переменное напряжение на вторичной катушке, а та уже может вызывать воздушный плазменный разряд.

Картинка 2. Никола Тесла во время публичного выступления (1892–1893 гг.) демонстрирует эффект высокочастотных токов, проходящих через тело и зажигающих плазменный разряд в вакуумных трубках в его руках.

В 1892–1893 годах Тесла совершил турне по Северной Америке и Европе, демонстрируя свои устройства и эффектные “фокусы” с высокочастотными токами, проходящими через его тело, что и проиллюстрировано на Картинке 2. Даже сейчас такое представление заставило бы ахнуть - это ж натуральный джедай, а тогда в пору было под стол падать!

Чуть позже другие исследователи из Франции, а именно Арсен д’Арсонваль (d’Arsonval) и Пол Уден (Oudin) слегка улучшили базовую схему Теслы, но даже в модернизированном виде она часто зовется его именем. Устройство д’Арсонваля может создавать импульсный (приблизительно 10 кГц) высокочастотный сигнал высокого напряжения (10кВ). Аналогично работает и прибор от Удена, но с еще бОльшим выходным напряжением (300кВ).

Все эти устройства способны создавать яркие искровые разряды в воздухе. А Тесла, пожалуй, был наиболее известен тем, что вполне убедительно (на себе) демонстрировал: электрические токи, связанные с этими разрядами, могут проходить через живой организм без каких-либо заметных последствий или повреждений. О чем он и писал: “Одна из замечательных и сразу обращающих на себя особенностей высокочастотных токов, и та, что в основном должна вызывать интерес врачей, заключается в очевидной безвредности, которая позволяет передавать относительно большое количество электрической энергии через тело человека, не причиняя боли или серьезного дискомфорта”. Понятно, что Тесла задумывается о потенциальном использовании своего устройства в терапевтических целях.

Однако он обращал внимание и на возможные побочные эффекты. Более того, Тесла открыто предупреждал о различных опасностях неконтролируемого или некомпетентного применения высокочастотных токов. Среди прочего он особо выделял возможность возникновения (генерации) потенциально вредных газов: “Непосредственно на поверхности или около кожи, в том месте, где происходит наиболее интенсивное воздействие, образуются различные химические продукты, главными из которых являются озон и соединения азота. Первый сам по себе очень разрушительный, и это иллюстрируется тем фактом, что резиновая изоляция вокруг проводов разрушается так быстро, что делает использование такой изоляции совершенно неосуществимым. Соединения азота при наличии влаги в основном состоят из азотной кислоты, которая при чрезмерном применении может нанести вред коже”.

И в самом деле, в настоящее время уже общеизвестно, что активные формы кислорода и азота является одними из наиболее значимых и важных участников биомедицинских процессов, связанных с медициной плазмы и смежными областями.

Другие исследователи тоже внесли значительный вклад в эту область. Например, на всемирной выставке 1893 года Элиу Томсон (Elihu Thomson) продемонстрировал свою версию высокочастотной цепи, которая создавала искру длиной почти в 2м и которая могла проходить через тело человека практически без видимых повреждений. Сообщалось, что высокочастотные токи Томсона (500 кГц – 1 МГц) превышают значение в 10 А. Конечно, при более низкой частоте токи с куда меньшими величинами могут быть смертельными. В наши дни "Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения" определяет предел чувствительности к току, проходящему через тело человека, в 25 мА при 100 кГц - 1 МГц (т.е. в 400 раз меньше чем у Томсона).

В общем же, на типичных высокочастотные устройствах, используемых в терапевтических целях в начале 1890-х годов, применялись напряжения порядка 5–500 кВ на частотах от 200 кГц до 10 МГц. Однако, по замечаниям того же Теслы, в те времена, как физические, так и биомедицинские направления исследования, связанные с высокочастотными токами, находились во младенчестве. Сам же Тесла оставил дальнейшее развитие терапевтического применения высокочастотных токов другим исследователям.

Арсен д’Арсонваль

Арсен д'Арсонваль был французским физиком, врачом, физиологом и инженером. Еще до начала демонстраций Теслы в 1893 году д'Арсонваль уже работал над пониманием физиологических эффектов высокочастотных токов в течение нескольких лет. Устройства д'Арсонваля были основаны на резонансных схемах с более низким напряжением по проекту Герца. Увидев демонстрацию Теслы в 1893 году в Париже, д'Арсонваль разработал альтернативную электрическую схему, с расширенными возможностями, и продолжил исследования на ее основе.

В 1893 году д'Арсонваль опубликовал свои результаты, демонстрирующие возможность соединения высокочастотных электрических токов с человеческим телом, как с помощью прямого (омического) контакта, так и без него. В одном случае (устройство без прямого контакта) д'Арсонваль помещал пациента, которого пытался подлечить, в клетку с большой спиралью (или катушкой), окружающей пациента (Картинка 3). Такой подход он назвал "автопроводимость".

Картинка 3. Устройство д'Арсонваля для соединения токов с телом человека с помощью большой индукционной катушки, называемое автопроводимостью.

В другом устройстве подлежащий лечению пациент ложился на кушетку, одной рукой придерживая провод от электрода с электропитанием, в то время как другой электрод помещали под изолирующую подушку, на которой и лежал пациент. Эта процедура получила название «автоконденсация» и изображена на Картинке 4.

Картинка 4. Устройство д'Арсонваля для соединения электрических токов с телом человека, превращающее последнего в часть большого конденсатора, называемое автоконденсацией.

Применение высокочастотного тока к относительно большим участкам тела в методах д'Арсонваля имело общий, системный характер. Утверждалось, что основными эффектами такого применения были: а) ускорение обмена веществ, б) увеличение активности желез и секреции, в) повышение температуры тела, г) повышение гемоглобина и насыщения кислородом, д) ускорение выведения из организма отходов жизнедеятельности, е) понижение кровяного давления при гипертонии, ж) благотворное влияние на нервную систему.

Современные ученые отмечают, что заслуга д'Арсонваля заключается в том, что он заложил основу для «диатермии» - метода внутреннего нагрева тканей путем применения внешних высокочастотных токов. Немецкий врач Нагельшмидт придумал этот термин «диатермия» в 1906 году, и в целом именно ему приписывают разработку первых практических устройств. Работа Нагельшмидта по глубокому разогреву тканей убедительно показала, что радиочастотные электрические токи проникают во весь организм, к которому они приложены. В тоже время сам д'Арсонваль не считал, что основной или даже единственной причиной наблюдаемых им физиологических эффектов, вызванных высокочастотными токами, является именно нагрев тканей. Тем не менее, к середине 1940-х годов это стало преобладающим мнением, и оно остается текущим пониманием большинства современных физиологов и врачей.

На нынешнем этапе еще предстоит выяснить, противоречит ли плазменная терапия этой точке зрения. Может, она поддержит как раз мнение д'Арсонваля о том, что физиологические эффекты, наблюдаемые после применения высокочастотных токов, являются в основном нетепловыми (т.е. не связаны с нагревом). Эта тема привлекает огромное внимание в течении последних 50-60 лет из-за интереса к медицинской диатермии, а также озабоченности по поводу воздействия на здоровье человека радиочастотного и микроволнового излучения. Например недавние исследования (2013 год) механизмов управляющих плазменной терапии предполагают, что нагрев все же играет значительную роль в заживлении ран при помощи плазмы.

Пол Уден

Пол Уден был физиком-врачом. Он был изрядно впечатлен работами д'Арсонваля в конце 19-го века и напрямую сотрудничал с последним. Уден наиболее известен разработкой альтернативной электрической схемы, которая особенно хорошо подходит для более локализованной обработки поверхности тела высокочастотным током (Картинка 5).

Картинка 5. Схема Пола Удена (слева) и изображение его рабочего устройства (справа). Схема изображает испускание плазмы в воздухе на  конце аппликатора.

Вообще говоря, Уден опубликовал множество статей о терапевтическом использовании высокочастотных токов с использованием различных схем включая и ту, за изобретение которой он больше всего известен. Но здесь будут освещены только два момента, касательно его многочисленных результатов, поскольку оба они кажутся особенно актуальными для современных терапевтических применений плазмы. 

Итак, Уден прежде всего сосредоточился на локальном применении токов с использованием различных форм электрических разрядов в воздухе. Он использовал термины «искра», «кисть» или "перо" для характеризации интенсивности плазменных разрядов. Эти разряды могут быть созданы с использованием различных электродов, но из их описания становится ясно, что они сводятся к тому, что сегодня мы называем разрядом через диэлектрический барьер или коронно-искровыми разрядами в атмосферном воздухе.

Для создания разряда (в виде молний) можно использовать один острый металлический электрод. В качестве альтернативы - несколько маленьких металлических иголок создают своего рода "брызги" (искровой разряд). Некоторые примеры электродов, которые можно принять то ли за садовые инструменты, то ли за орудия средневековых пыток, показаны на Картинке 6. Эффект "разбрызгивания" также может быть создан с помощью конфигурации электрода, при которой металлическая поверхность покрыта диэлектриком, что на современном языке как раз и называется "разряд через диэлектрический барьер".

Картинка 6. Электроды, используемые в устройствах Удена. Они были призваны обеспечить "локальное приложение" высокочастотных токов.

Типичный сеанс воздействия на пациента подобными устройствами демонстрируется на (слегка отретушированной) Картинке 7.  Пациент (видите какой он довольный?) держит заземление или возвратный электрод в руках, для замыкания контура, а врач корректирует катушку резонатора Удена и направляет электрод и, как результат, "поток разрядов" к колену пациента.

Картинка 7. Иллюстрация к сеасу лечения с помощье аппарата Удена.

Можно заподозрить, что создатель "Звездных войн" Джордж Лукас подвергался такой процедуре в детстве, иначе откуда взялся этот злобный император испускающий молнии из ладоней (Картинка 8)?

Картинка 8. Император Палпатин проводит электротерапию поврежденной руки Люка Скайукера.

Один из самых поразительных результатов, о котором сообщал Уден, касался того факта, что электрический ток, проходящий через пациента посредством воздушной плазмы (т.е. без прямого контакта с электродом) может оказывать обезболивающее действие на ткани. В качестве изолятора между металлическим электродом и кожей пациента Уден иногда использовал влажную замшу, что приводило, по его описаниям, к «дождю» маленьких искр фиолетового цвета, которые не были болезненными. Опять же, кажется очевидным, что это устройство действовало в соответствии с тем, что сегодня мы называем разрядом через диэлектрический барьер.

Еще в 1893 г. Уден опубликовал сообщение о лечения различных пациентов, страдающих от боли. В одном случае с помощью высокочастотных токов он лечил боль в пояснице у 32 рабочих (грузчиков). По заявлению Удена, у 10 пациентов боль была устранена уже после первой процедуры. Т.е. вот сразу встали и пошли. Еще 13-ти пациентам потребовалось 2 курса лечения, а оставшимся 9-ти пришлось испытать прелести тока аж 3 раза. Что не так уж и страшно, ведь процедуры длились от 2 до 10 минут. 

Подобный же успех был достигнут при попытках облегчить и другие виды боли, даже зубной при их удалении! Для этого Уден снова использовал разряд через диэлектрического барьера, в качестве которого использовалась увлажненная ватка. Процедура воздействия током на зуб проводилась в течение 4–5 минут, после чего зуб у пациента удаляли. “Как бы независимый” опрос показал, что из 24 пациентов, получавших такую обработку, 11 человек не почувствовали боли во время удаления зуба, а 9 человек сообщили о минимальной боли. У оставшихся 4 пациентов обезболивающего эффекта не было. Но Уден  рассудил, что у этих - “без эффекта” - скорее всего была нарушена процедура: то ли токи были не той системы, то ли прикладывались не достаточно долго, то ли ватка была слишком влажной. А может они вообще были пьяные.

В современной литературе, посвященной плазменной терапии, есть не так уж много упоминаний об избавлении от боли. Но они попадаются! Так, например, сообщалось об исследовании аргонового плазменного устройства (холодная плазма при атмосферным давлением) для лечения болезненного инфекционного состояния кожи, известного как опоясывающий лишай. Оказывается, анализ выявил значительное снижение боли у пациентов, получавших плазменную терапию, по сравнению с контрольной группой. В другом исследовании, из 6 человек, проходящих терапию карциномы в области головы и шей с помощьею струи аргоновй плазмы, четверо использовали меньшее количество обезболивающих после процедур. Тем не менее, необходимо проделать еще большую работу, чтобы изучить эту важную тему с помощью различных устройств и уделить особое внимание возможным обезболивающим эффектам плазмы.

Это особенно актуально, так как всего несколько лет назад, в другой в статье проводился сравнительный анализ антибактериальных свойств (т.е. возможности обеззараживать поверхность) современного устройства на основе струи аргоновой плазмы (например, KinPen Med) и “древним” устройством под названием «фиолетовая палочка» или “фиолетовый луч”, которое имеет много общего с методикой  «разряда через диэлектрический барьер», используемой Уденом, да и некоторыми устройствами д'Арсонваля. Так вот, авторы утверждают, что исторические аппараты на основе «разряда через диэлектрический барьер», которые проще называть аппаратами с вакуумным электродом (стеклянная трубка без воздуха) и современные устройства, имеют сопоставимые показатели уничтожения бактерий. Кстати, явные свидетельства сильных антибактериальных эффектов при локальном применении плазменных разрядов отмечали многие исследователи во времена Удена. И в целом можно утверждать, что биомедицинские эффекты устройств Удена с воздушной плазмой имеют самое непосредственное отношение к современному  медицинскому плазменному оборудованию.

Наконец, стоит отметить мнение самого Удена о механизмах заживления, которые он наблюдал, используя высокочастотные токи, когда фокусировался на локальных поражениях кожи и инфекциях: “В двух словах, я напоминаю вам, что не верю, будто высокочастотные токи являются непосредственно микробиоцидными, а скорее всего вызывают очень мощную модификацию местного капиллярного кровообращения в сочетании с активным дренажом сосудов, который стимулирует фагоцитоз. Что касается облегчения боли, можно было бы предложить несколько теорий для объяснения эффекта. Но вместо того, чтобы просто рассуждать, возможно, нам следует отметить этот эффект и использовать его на практике”. Наблюдения Удена, по-видимому, согласуются с результатами недавних исследований, показывающими усиление подкожного кровотока после воздействия плазмы на кожу мышей и человека, а также недавними результатами, доказывающими, что плазма может стимулировать иммунную систему.

Фредерик Стронг

Фредерик Стронг (Frederick F Strong) был американским врачом (и, по необходимости, инженером-электриком), которого некоторые считают одним из основных пионеров использования высокочастотных токов для терапии. В 1908 году он опубликовал книгу под названием «Высокочастотные токи», с последующим переизданием в году 1918, которая, очевидно, пользовалась большой популярностью в те времена. В своей книге Стронг, не стесняясь, утверждает, что именно он изобрел вакуумный электрод в 1897 году, т.е. еще за несколько лет до начала его общего использования в Европе примерно в 1900 году. Скромно именуя себя в третьем лице “писателем”, как тогда, видимо, было принято, Стронг пишет следующее: “Вначале писатель … подключал пациентов к катушке Теслы с помощью металлического электрода, а противоположный полюс соединял с различными устройствами, заставляя разряд воздействовать на пораженные участки тела пациента. Несколько несчастных случаев, в которых электрод подносился слишком близко к телу (вызывая болезненную искру), привели к идеи использования стеклянной трубки между пациентом и активным электродом. Это был всего лишь шаг к замене покрытого стеклом металлического электрода, вакуумной трубкой... Это привело к изобретению вакуумного электрода, устройства, которое в настоящее время используется повсеместно, но которое было впервые разработано писателем в 1897 году.”

Картинка 9. (a) Фотография современного варианта вакуумного электрода:  стеклянный корпус со встроенным металлическим электродом (не видно), создающим тлеющий разряд низкого давления внутри. Внутренний разряд связан со внешним разрядом (через диэлектрический барьер) в воздухе между стеклом и кожей. (б) Эскиз одного из вакуумных электродов Стронга с изолированной ручкой. Сходство двух устройств очевидно.

На Картинке 9 (а) показана фотография современного варианта вакуумного электрода (он же «фиолетовый луч» или «фиолетовая палочка»), а на Картинке 9 (б) приведена схема устройства вакуумного электродного из книги Стронга. Когда на вакуумный электрод подается напряжение, а сам он удерживается на некотором расстоянии от кожи, возникает разряд (и низкотемпературная атмосферная плазма), что и можно заметить на Картинке 9 (а), если приглядеться.

Картинка 10. Фотография применения вакуумного электрода для электротерапии ноги пациента во времена Первой мировой войны.

А вот на Картинках 10 и 11 изображены примеры фактического  применения вакуумных электродов для обработки пациентов в стародавние времена. В обоих случаях складывается впечатление, что стеклянная поверхность электродов находится в непосредственном контакте с кожей пациента, поэтому плазма, если и возникала, то только между стеклом и кожей вокруг (вблизи) точки соприкосновения. Возможно, также, что атмосферная плазма и не генерировалась, а терапевтические эффекты этих устройств ограничивались фотонами и радиочастотными токами, проходящими через ткани. Сейчас об это трудно сказать, поскольку важность атмосферного разряда рядом с кожей не всегда обсуждалась в ранней литературе.

Картинка 11. Фотография обработки вакуумным электродом плеча пациентки.

В своей книге Стронг подробно описал эффекты связанные с понижением давления газа внутри вакуумной (газоразрядной) трубки, запитываемой от различных радиочастотных источников, включая катушку Тесла. Так, к примеру, тлеющий разряд мог менять цвет, пространственное распределение и временные характеристики. При достаточно низком давлении и высоком напряжении в газоразрядных трубках могли генерировать рентгеновские лучи, а при промежуточных давлениях и напряжениях - ультрафиолетовый свет. Это, конечно же, вполне ожидаемо, если смотреть на эти результаты с колокольни современных знаний и представлений об электрических разрядах в газах.

Свои наблюдения и выводы о физиологических и медицинских эффектах высокочастотных токов Стронг резюмировал так: а) способствуют циркуляции крови, повышает обмен веществ и более или менее полностью восстанавливает общую гармонию между различными функциями организма, б) усиливают клеточные химические процессы, увеличивают жизненные реакции (чтобы это не значило) как по количеству, так и по интенсивности, в) облегчают устранение отходов жизнедеятельности, г) увеличивают вазомоторную активность при незначительном повышении артериального давления, д) увеличивают окислительную способность крови, е) оказывают бактерицидное воздействие через озон.

Современного читателя книга Стронга может поразить несколькими моментами. Во-первых, в ней описано удивительно большое количество различных схем и довольно сложных устройств, которые были разработаны и использованы для высокочастотной терапии на заре 20-го века. Что говорит о том, что сообщество врачей, ученых и инженеров неустанно работало над изобретением и тестированием всевозможных аппаратов и документированием вызываемых ими физиологических и медицинских эффектов. С другой стороны, используемая в книги базовая физика и биология, на сегодняшний день может показаться не совсем научной. Так, в частности, сам Стронг не сомневался, что: “все природные явления возникают в результате вибрации в среде примитивной природы, которая кажется ничем иным, как электричеством. Все формы силы, от притяжения Солнца к Земле до жизненных явлений человеческого организма, являются в основном электрическими вибрациями”.

Стронг, естественно, был не единственным в те времена автором, публикующим книги на тему электротерапии. Например Самуэль Монель (Samuel H. Monell) в труде “Высокочастотные электрические токи в медицине и стоматологии», увидевшем свет в 1910 году, утверждал, что с помощью высокочастотных токов ему успешно удавалось лечить (или облегчить симптомы) различные заболевания кожи, начиная от зуда и угрей, и заканчивая экземой и различными видами лишая. Последнее, кстати, примечательно, ведь современные исследования с использованием низкотемпературной атмосферной плазмы (вроде уже упомянутого KinPen Med) подтверждают ее эффективность в борьбе с данным недугом. Но Монель пошел еще дальше, за пределы дерматологии, заявляя о положительных терапевтических эффектах высокочастотных токов в лечении заболеваний: а) пищеварительной системы, б) крови и сердца, в) дыхательных путей, г) обмена веществ, г) нервной системы, а также заболеваний, связанных с выделительным аппаратом, инфекционных и даже злокачественных заболеваний.

Наши дни. Взаимодействие высокочастотных токов с биологическими тканями и клетками

С начала 20-го века были проведены значительные исследования на тему высокочастотных токов, взаимодействующих с живыми организмами. В частности, значительное внимание уделялось взаимодействию сопутствующего неионизирующего электромагнитного излучения с биологической тканью. Такое взаимодействие обусловлено в первую очередь диэлектрическими свойствами биоткани.

Обычно эти свойства выражаются в терминах комплексной функции диэлектрической проницаемости, которая включает в себя компоненту, зависящую от движение свободных ионных зарядов (проводимость), и часть, которая отражает поляризацию фиксированных зарядов, обычно связанных с межклеточными мембранами. Первая часть определяет проводимость ткани, а вторая - ее электрическую емкость. И без того не всякому понятная ситуация усложняется тем, что эта комплексная диэлектрическая проницаемость ткани зависит еще от частоты внешнего электрического поля и может принимать сложные формы. Но в целом закономерность такая: с увеличением частоты проницаемость ткани снижается, а вот проводимость растет (особенно в области микроволн).

Взаимодействие типичной биологической ткани с электромагнитным излучением в зависимости от частотного диапазона может быть обусловлено диффузионной динамикой подвижных зарядов (да 100 Гц), поляризацией межклеточных мембран (до 10кГц) и содержанием воды в биологической ткани и динамикой малых молекул (до 10ГГц).

Интерес к диэлектрическим свойствам биологических тканей возник в немалой степени из-за опасений по поводу потенциальных последствий для здоровья, связанных даже с низкими уровнями воздействия, вызванными передачей электроэнергии и устройствами связи, такими как сотовые телефоны или микроволновые приборы. Кроме того, в медицине широко распространились такие методы исследования и диагностики, как диэлектрическая спектроскопия клеток. А медицинские устройства, используемые для радиочастотной абляции тканей, имеют очень даже высокий уровень интенсивности неионизирующего излучения. Электрические поля, связанные с высокочастотными токами, используемыми для электротерапии, находятся где-то посередине этого спектра электрического поля и интенсивностей тока.

В результате повышенного интереса, за последние несколько десятилетий был достигнут заметный прогресс в понимании биологических эффектов (и вопросов безопасности), связанных с электрическими токами в тканях в диапазоне от «домашней электрической сети» (то есть 50-60 Гц) до микроволновых частот (10 ГГц). Традиционно тело человека и его отклик на радиочастотное (неионизирующее) излучение моделировали ввиде идеальной резистивно-емкостной эквивалентной схемы. В такой схеме коже человека, как оболочке, приписывается определенное значение электрической емкости (200 пФ) и сопротивление (1,5 кОм), а внутренностям - другое сопротивление (0,5 кОм). Модели на основе такой эквивалентной схемы могут достаточно точно улавливать макроскопические электрические отклики человеческого тела. Но они не срабатывают, когда речь идет о поглощении энергии в конкретных участках.

Всвязи с этим, начиная с середины и в конце 1990-х годов, появились более реалистичные модели анатомии человека основанные на вокселях (voxel) или трехмерных пикселях. Моделирование c помощью различных численных методов используется для радиографии, радиотерапии (лучевой терапии), ядерной медицины. В случае изучения электромагнитных эффектов воксельные модели позволяют адекватно оценить отклик отдельных компонент тела (кожа, мышцы, кости, кровь, органы и т. д.). Однако, применить подобное моделирование для анализа воздействия токов, сопровождающих работу устройств в плазменной медицине, еще только предстоит.

Сравнение исторических устройств электротерапии и современных приборов плазменной медицины

На данный момент существует огромное множество различных типов современных нетепловых (т.е. без существенного разогрева) плазменных медицинских устройств. Среди них есть и те, что были одобрены для клинических испытаний (т.е. получили «сертификацию CE» в Европейском Союзе) начиная с 2013 года.

Устройство «KINPen MED» (Германия) генерирует струю аргоновую плазмы и работает на радиочастоте (1 МГц). «MicroPlasSter» (Великобритания) тоже создает аргоновую плазму, но работает на микроволнах (2,45 ГГц). Оба устройства функционирует таким образом, что не происходит значительного теплового нагрева обрабатываемой ткани. Аппарат «PlasmaDerm» (Германия) использует разряд через диэлектрический барьер в обычном воздухе и также является нетепловым (Картинка 12).

Картинка 12. Разряд в воздухе через диэлектрический барьер при обработке кожи человека. Устройство наподобие коммерческого PlasmaDerm.

Как уже отмечалось ранее, при сравнении антибактериальных эффектов старинного устройства на основе вакуумного электрода (иногда называемого “фиолетовым лучом” или “фиолетовой палочкой”) с современными устройствами, подобными тому, что изображено на Картинки 12, особая разница не наблюдается. Потенциально полезный клинический эффект присутствует в обоих случаях, не являясь исключительно психосоматическим явлением.

Устройства с “фиолетовыми палочками” продавались по всему миру начиная с первого десятилетия 20-го века и вплоть до 1950-х годов. И хотя медицинская ценность этих устройств, вероятно, была очень сильно перехвалена производителями и рекламщиками, а сами они часто использовалось ненадлежащим образом недобросовестными и/или неподготовленными людьми, сходство тех аппаратов с современными плазменными медицинскими устройствами неоспоримо.

В настоящее время тестируется много различных типов плазменных устройств, и некоторые уже сильно отличаются от исторических. Например, обработка плазмой жидкостей, таких как среда для культивирования клеток, и последующее нанесение этой обработанной среды на клетки или организмы, совсем не напоминает древние приборы. Однако те современные плазменные устройства, в которых используется плазма в контакте с клетками и тканями, явно сопоставимы с историческими устройствами, в которых использовалась локальная обработка высокочастотным током, например с помощью вакуумного электрода.

Механизмы работы высокочастотной электротерапии и плазменной медицины

Для нынешнего читателя одним из наиболее ярких аспектов истории о “древней” высокочастотной электротерапии может оказаться дискуссия о возможных механизмах. Современный исследователь биомедицины плазмы может испытать желание разделять эффекты вызванные использованием электродов большой площади, что ассоциируется с устройствами д'Арсонваля, от аппаратов для локальной обработки, использующих воздушную плазму при атмосферном давлении, создаваемую вакуумный электродом или искровым разрядом при контакте с кожей или биотканью. Однако старинное сообщество высокочастотных терапевтов склонялось к мысли, что ключевым физическим фактором являлся электрический ток, проходящий через тело, а он присутствовал как в локальном, так и в д'Арсонвальском лечении.

Как уже частично раскрывалось выше, некоторые положительные эффекты, приписываемые в давние времена электротерапии, находят подтверждение в современных исследованиях. К этому относиться антибактериальное (обеззараживающее) действие, усиление местного кровотока и стимуляция иммунной системы. К тому же, при исследованиях влияния атмосферной плазмы на организмы млекопитающих была зафиксирована способность плазмы индуцировать апоптоз (или самоубийство) клеток.

В отличие от некроза, который является преждевременной гибелью клетки под воздействием травматических внешних факторов, апоптоз является формой физиологической гибели клетки, которая инициируется внутри самой клетки под воздействием определенных внеклеточных и внутриклеточных сигналов. Посредством апоптоза происходит обычная (нормальная) утилизации поврежденных, старых или нефункциональных клеток, т.е. ‘‘запрограммированная самой природой гибель клеток» для управления гомеостазом и развитием организма.

Апоптоз запускается, как ответ на различные стрессовые для клетки факторы, включая токсины, окислительный стресс или повреждение ДНК. А вот если апоптоз в клетках инактивирован (выключен) или прерван, то в этом случае возможно развитие рака. Поэтому уклонение клеток от апоптоза считается одним из основных признаков рака. Следовательно, индукция (т.е. включение) апоптоза становится одним из терапевтических подходов к лечению этого недуга.

Возможность инактивировать опухолевые клетки (например, клетки меланомы, рака молочной железы, рака легкого и печени) посредством включения апоптоза при обработке атмосферной плазмой уже неоднократно демонстрировалась. Считается, что апоптоз запускается из-за генерируемых плазмой активных форм кислорода (АФК), а также активных форм азота (АФА), прежде всего NO и производным.

В общем случае, инактивация раковых клеток с использованием плазмы не всегда достигается только апоптозом, но и некрозом, что сильно зависит от дозы лечения. Значительное терапевтическое преимущество плазменного лечение рака может быть достигнуто, если удастся добиться активации только апоптоза и избежать некроза и связанных с ним воспалений. Надо не забывать, что в раковых клетках способность к апоптозу блокируется, и это является одной из основных причин его устойчивости к химиотерапевтическим препаратам. Следовательно, восстановление апоптотических путей в клетках через плазменную обработку может помочь вновь включить чувствительность раковых клеток к химиотерапии, и, тем самым, является поддержкой для этого метода лечения.

С другой стороны, важным триггером апоптоза является повреждение клеточных структур, которые невозможно восстановить, например, фрагментация ДНК. И, что вполне ожидаемо, уже имеются сообщения, что включение апоптоза через обработку плазмой может быть коррелировано с воздействием на целостность ДНК. Так вот, влияние на клеточную ДНК при плазменной обработке исследовано не только в связи со стратегией селективной и целенаправленной инактивация клеток путем запуска апоптоза в раковых клетках. Тут дело в том, что запуск апоптоза сам по себе может служить системой раннего оповещения о возможных нежелательных побочных эффектах медицинского применения плазмы. Причем, уже установлено, что повреждение ДНК вызывается не столько тепловыми эффектами, УФ-излучением, электрическими полями или движением заряженных частиц, но в основном вторично индуцированными долгоживущими органическими радикалами, образованными в результате реакций с активными формами кислорода и азота, создаваемыми плазмой.

Теперь, если обобщить полученные на сегодня результаты исследований, имеет смысл подчеркнуть, что различные лечебные дозы плазмы могут привести к некрозу клеток (высокие дозы - антибактериальное действие), апоптозу (средние дозы - лечение рака) или несмертельным воздействиям на особые функции клеток (стимуляция). Следовательно, применение плазменных методов должно быть дифференцированно и хорошо контролируемо, поскольку существуют определенная дозозависимость: от разрушения клеток до катализации или усиление специальных биохимических процессов. А вот дозировку во многих случаях еще только предстоит определить.

Угасание интереса к высокочастотной терапии

С момента возникновения и даже в период наибольшего расцвета методика электротерапии вызывала изрядный скептицизм у ученых и практикующих врачей. Что не удивительно, ведь многие адепты этой техники, особенно те, что предлагали спасение чуть ли не от всех болезней, в своих работах и описаниях использовали термины и объяснения весьма далекие от научных.

Одним из наиболее важных факторов снижения популярности высокочастотной электротерапии стал быстрый рост интереса к рентгеновским лучам. Ирония тут в том, что первоначально высокочастотные токи и рентгеновские лучи генерировались в однотипных устройствах - вакуумных электродах. Врачи, практикующие электротерапию, начинали чувствовать, что основной интерес смещается на терапевтические и исследовательские возможности рентгеновских снимков, а их работа с электричеством начинала казаться старомодной.

Другим фактором, который, вероятно, способствовал падению интереса к методикам высокочастотных токов, стала возрастающая в медицине роль фармацевтических препаратов. Инсулин был разработан, как мощное средство для лечения диабета в начале 1920-х годов. Сульфонамидные препараты были разработаны в 1930-х годах, что привело к появлению антибиотиков к началу 1940-х годов. В медицине в те времена фактически шла революция. В 1940-х годах были разработаны химиотерапевтические средства для лечения рака, и фармацевтические подходы стали доминировать, в то время как «физическая терапия», т.е. использование “физических агентов”, таких как тепло, электричество, звук, свет и механические манипуляции, стала не так важны для медицины. Д'Арсонваль рассматривал физиотерапию, включая электротерапию, как будущее медицины, пытаясь избежать «отравления» пациентов лекарствами сомнительной ценности. Очевидно, что его будущее не произошло, по крайней мере, в те временные рамки, которые он себе представлял.

Заключение

История высокочастотной электротерапии и ее связи с современной, развивающейся областью плазменной медицины интересна и сложна. Хотя большинство врачей и отказались от множества терапевтических применений, высокочастотные электрические устройства продолжали использоваться для физиотерапии (диатермии), а также в хирургии. Современная хирургия использует несколько типов плазменных и других высокочастотных электрических устройств, но в основном для целей тепловой абляции.

Вопрос о том, может ли нынешнее сообщество плазменной медицины извлечь выгоду из признания сходства современной и исторической практики, на самом деле все еще остается открытым. Список болезней, которые, как утверждалось, поддаются лечению высокочастотными токами начала 20-го века, длинный, а некоторые скажут, невероятно или даже смехотворно длинный. Однако, когда аналогичные заболевания или недуги (например, боль и некоторые дерматологических заболеваний) лечат с использованием современных устройств, очевидное сходство результатов является интригующим.

В любом случае плазменные медицинские устройства и процедуры, которые в настоящее время используются в клиниках, получают огромную пользу от обширных научных исследований плазмы и ее взаимодействия с биологическими системами. Историческая высокочастотная электротерапия, используемая для нетеплового лечения многих заболеваний, была почти “заброшена” к середине 20-го века отчасти потому, что медицинское сообщество, включая врачей, ученых-физиков и инженеров, не понимало физических, химических и биологических механизмов, лежащих в основе функционирования электротерапии. Кроме того, сомнительные, безответственные и непрофессиональные индивидуумы и производители позволили нанести ущерб репутации устройств и процедур. Единственный путь развития плазменной медицины - это продолжать строить прочную научную базу, на которой можно разместить устойчивую медицинскую практику.