Работа посвящена созданию установки для сочетанного плазменно-лучевого воздействия на биологические ткани с целью получения антибактериального и противоопухолевого эффекта. Установка выполнена по блочному принципу и предназначена для научных и клинических исследований в области плазменной медицины, включая оценку биологического действия плазмы и анализ параметров газового разряда. На основе расчетной модели определены критические параметры ионизатора, по которым спроектированы основные функциональные блоки. Разработан и изготовлен плазматрон с нестационарным барьерным разрядом, адаптированный для воздействия на термолабильные ткани, а также форвакуумный плазменный источник электронов. Установка обеспечивает формирование плазменного потока с высокой концентрацией активных компонентов, необходимой для индукции антибактериального ответа, включая действие на мультирезистентные штаммы, и для усиления химиотерапевтического ответа опухолевых клеток.

Проблема:
Актуальность темы определяется двумя ключевыми факторами: ростом числа впервые выявленных злокачественных новообразований, требующих быстрого принятия решения о тактике лечения, и увеличением частоты боевой хирургической травмы, сопровождающейся тяжелым инфекционным процессом, вызванным мультирезистентными штаммами микроорганизмов.
На сегодняшний день не существует единого оптимального терапевтического или хирургического подхода, обеспечивающего быстрое разрешение инфекционного процесса в ране. В условиях применения малогабаритных и высокоточных средств поражения личного состава, сдвига характера травмы к высокоэнергетическому типу, увеличения времени эвакуации из «красной» зоны и широкого использования антибактериальных препаратов, происходит рост числа раненых со смешанной микрофлорой ран, обладающей множественной устойчивостью к химиотерапевтическому воздействию. Даже в обычном хирургическом отделении подобный пациент нуждается в комплексной терапии, что не всегда гарантирует успех лечения и полную реконвалесценцию (выздоровление). Отдельного внимания заслуживают ранения областей, ткани которых имеют единое эмбриональное происхождение с нервной тканью (орган зрения и другие). Подобное гистогенетическое сходство приводит к аутосенсибилизации иммунной системы организма и выработке аутоантител к нервным структурам, что может вызвать синдром Гийена-Барре, симпатическую офтальмию и другие аутоиммунные осложнения. Такой «порочный круг» приводит к развитию серьезных осложнений, которые снижают шансы пациента на полную реконвалесценцию, требуют применения высокотехнологичных методов эфферентной терапии (программный плазмаферез, плазмосорбция и др.), дорогостоящих методов замещения плазмы, химиотерапии и последующей длительной реабилитации.
Это не только приводит к длительному пребыванию пациента в госпитале, снижению оборачиваемости койко-мест, но и повышает вероятность развития заболеваний, вызванных внутрибольничными штаммами.
Известно, что длительный инфекционный процесс как результат осколочного / минно-взрывного ранения или хронического заболевания всегда сопряжён с риском появления мутантных клонов клеток и развитием первичных опухолей. Ежегодно диагностируют более 640 тыс. впервые выявленных злокачественных новообразований, из них примерно 60% требуют срочного радиотерапевтического воздействия. Оказание онкологической помощи – это всегда комплексная проблема, связанная со сложностями дифференциальной диагностики, проведения молекулярно-генетических исследований, конфликтами между научными школами и маршрутизацией пациентов для обеспечения высокотехнологичной помощи. На сегодняшний день довольно распространена проблема резистентности опухолей к проводимой химио- или химиолучевой терапии, трудностей выполнения радикального противорецидивного циторедуктивного оперативного вмешательства или невозможности его проведения ввиду высокого риска ятрогенного повреждения структур органов, что приведет к заметному снижению качества жизни пациента или летальному исходу (например, обширная резекция брюшины при канцероматозе).
Подобные вызовы требуют разработки и внедрения новых методов, позволяющих проводить комплексное воздействие на биологический субстрат с сохранением соматических интактных клеток и выраженным антибактериальным, противовоспалительным и местным цитотоксическим действием по отношению к опухолевым клеткам и зоне микроокружения новообразования для профилактики рецидивов и снижения степени тяжести состояния пациента до, во время и после лечения. Что может быть достигнуто переходом не просто на тканевой уровень воздействия, а на молекулярный при сочетании физических и химических факторов.
Такой переход призвана обеспечить технология обработки тканей холодной плазмой, которая активно внедряется в хирургическую и трансплантационную практику. Данная методика обладает рядом неоспоримых преимуществ: мощным универсальным антибактериальным действием, выраженным регенераторным эффектом, способностью селективно подавлять активность опухолевых клонов и стимулировать их иммуногенную гибель без системной токсичности. Однако основная проблема кроется в широте самого определения «плазма». Эффект плазменного факела, развивающийся в ответ на обработку биологических тканей, напрямую зависит от конструкции устройства, генерирующего его.
Таким образом, разные методы генерации и разные параметры обработки приводят к различным результатам. На сегодняшний день нет единой научной школы, позволяющей определить тактику терапевтического применения холодной атмосферной плазмы с конкретной заданной целью. Поэтому низкий уровень изученности биологических, физических факторов, так и процессов, происходящих на границе раздела фаз, отсутствие критериев стандартизации процесса по прямым повреждающим факторам плазмы (химически активные радикалы и заряженные частицы), отсутствие единой системы дозирования воздействия и микрооблучения, а также «зачаточное» состояние нормативно-правовой базы не позволяют развернуть массовое применение подобной технологии в практической деятельности лечебно-профилактических учреждений.

Научная новизна проводимых работ заключается в создании установки позволяющей проводить повторяемые эксперименты по воздействию холодной плазмы и оценки биологического ответа.
Главной составляющей установки является принцип блочной конструкции, позволяющей дополнять или заменять функциональные блоки отвечающие за определенные параметры работы плазматрона:
В структуру установки интегрирована аналоговая система контроля вольт-амперной характеристики узла высоковольтного импульсного источника питания и система прямого и косвенного определения параметров газового разряда в реальном времени на базе осциллоскопа-мультиметра с полосой пропускания сигнала до 10 МГц. Таким образом, в ходе обработки ткани можно контролировать ток разряда, плотность заряженных частиц и рекомбинационные процессы, что ранее для аппаратов подобного типа не реализовывалось.
Одним из основных элементов аппарата является Блок – испаритель. Именно в нем и подготавливается моно- или полифармацефтический агент подаваемый в воздушно-плазменную смесь.
Двухканальная система «плазма + аэрозоль химиотерапевтического агента». Разработана установка с раздельными каналами: генерация активных частиц в барьерном разряде и подача воздушно-капельной взвеси (вода, физиологический раствор, раствор антибиотика/химиопрепарата). Это обеспечивает низкую температуру струи, компенсацию испарения тканевой жидкости и индукцию химиотерапевтического ответа опухолевых клеток за счёт синергии активных радикалов и фармакологического агента.
Конструкция аппарата предусматривает применение плазматронов различной конструкции и вариантов исполнения, разрабатываемых под определенные клинические нужды (офтальмология, ожоговый центр, общая хирургия, ядерная медицина).
Разработана конструкция плазматрона с косвенной ионизацией для термолабильных тканей. Впервые предложен и расчётно обоснован плазматрон на основе нестационарного барьерного разряда с косвенной ионизацией, позволяющий получать холодную плазменную струю без рекомбинантного УФ-излучения и термического повреждения тканей, обладающих особой цитоархитектоникой (роговица, брюшина и др.). Это принципиальное отличие от существующих дуговых плазмокоагуляторов.
Электромагнитная фокусировка и стабилизация плазменного потока. Впервые в медицинской плазменной установке применена система катушек Гельмгольца для управления стримерными каналами разряда и снижения рекомбинационных потерь на стенках сопла, что повышает пространственную однородность активных компонентов в струе.
Мультифизическое моделирование параметров барьерного разряда in silico.
Авторами проведено систематическое расчётное исследование (MATLAB, COMSOL, Maxwell, Bolsig+) влияния напряжения, частоты, расхода газа и геометрии разрядного промежутка на температуру электронов/ионов, концентрацию радикалов (O, OH, O₃, NOₓ) и спектр излучения. Получены количественные таблицы рисков и параметров, что создаёт базу для стандартизации плазменного воздействия.
Дополнительно разработан источник электронов, работающий в форвакуумном диапазоне, что расширяет возможности комбинированного (плазменного и лучевого) воздействия на биологические ткани.

Список опубликованных работ по теме проекта:
1) К вопросу применения нестационарного газового разряда в лечении антибиотикорезистентных заболеваний органа зрения / А. В. Королев, Е. А. Бресткина, В. В. Карпович [и др.] // Нерешенные вопросы этиотропной терапии актуальных инфекций : Материалы Всероссийской ежегодной научно-практической конференции, посвященой 75-летию академика РАН Лобзина Ю.В., Санкт-Петербург, 09–10 декабря 2025 года. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургская общественная организация «Человек и его здоровье», 2025. – С. 161-170. – EDN DSUBAT. – Полный тест приложен к заявке.
2) Королев, А. В. К вопросу применения форвакуумных плазменных источников электронов в интраоперационной лучевой терапии / А. В. Королев, П. В. Евсеева, П. А. Слижов // Актуальные вопросы экспериментальной и клинической медицины - 2025 : Сборник тезисов LXXXVI Ежегодной итоговой научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием, Санкт-Петербург, 03–24 апреля 2025 года. – Санкт-Петербург: Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова, 2025. – С. 203. – EDN CREFEY. - Полный тест приложен к заявке.
3) Андилахай, В. В. Плазменные технологии в структуре радиотерапевтической помощи: новый инструмент для повышения доступности и эффективности лечения / В. В. Андилахай, А. В. Королев // Open Science 2025 : Сборник тезисов XII Всероссийского молодежного научного форума с международным участием, Гатчина, 12–14 ноября 2025 года. – Гатчина: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», 2025. – С. 177. – EDN ESEQKO. - Полный тест приложен к заявке.
4) Королев, А. В. Форвакуумные плазменные источники электронов в терапевтических ускорителях частиц / А. В. Королев, С. М. Пиняева, В. В. Андилахай // Злокачественные опухоли. – 2025. – Т. 15, № S3s1. – С. 175-176. – EDN MHEREU.

На страницу проекта