„Приложението на студената микровълнова аргонова плазма в медицината има огромен потенциал, който все още е слабо изследван от науката, а нашият проект съчетава приложението на авангардни физични и биоинженерни методи в областта на регенеративната медицина“ – това разказва доц. Любомир Трайков, ръководител на катедрата по медицинска физика и биофизика в Медицински университет – София и един от двамата водещи изследователи на научноизследователска група (НИГ) 3.1.4 BioMimetaMechanics, работеща по проект BG-RRP- 2.004-0004-C01: „Стратегическа научноизследователска и иновационна програма за развитие на МУ-София”, финансиран от Европейския съюз-NextGenerationEU чрез Националния план за възстановяване и устойчивост.
Проектът на НИГ 3.1.4 BioMimetaMechanics изследва ефекти на ултразвукови вълни, действие на високочестотни електромагнитни полета и студена аргонова микровълнова плазма върху биомиметични органоидни структури (3D-клетъчни структури) за регенеративна медицина.
Проектът BioMimetaMechanics обединява биомедицински и инженерни методи за създаване на нови терапии и подобряване на зарастването на рани, остеоинтеграцията на импланти и репланти. Научната дейност се развива от две групи учени – в едната група, по направление медицинска физика и биофизика работят доц. д-р Любомир Трайков, гл. ас. д-р Тодор Богданов и техни колеги, а водещ изследовател на научната група по направление протетична дентална медицина е проф. д-р Тодор Узунов и екипът му. Проектът на група BioMimetaMechanics проучва как ултразвуковите вълни и студената аргонова микровълнова плазма влияят върху изкуствено създадени миниатюрни копия на тъкани и органи (миметични-структури). Целта на тези изследвания е да се разберат по-
точно регулаторните и молекулно-сигнални механизми на повлияване на екстрацелуларния матрикс, отделните етапи на тъканна регенерация и нео-ангиогенезата. Друга цел на учените е да установят как физичните фактори манипулират индиректно регулаторните молекулни механизми и най-вече дали тези технологии могат да помогнат за по-бързото възстановяване на увредени тъкани и органи – например при имплантацията на зъбни импланти в условията на намалена костна плътност, костно-заместителни операции в условия на намалена костна плътност или зарастването на пост-оперативни рани, обяснява доц. Трайков, който работи върху въздействието на физични фактори върху живите системи от 30 години, а от около 10 години фокусира работата си върху биомедицинските аспекти на действието на студената аргонова микровълнова плазма.
Доц. Трайков разяснява, че студената аргонова плазма представлява йонизирани атоми на аргона, които взаимодействат с външно приложено високочестотно електромагнитно поле, което направлява заредените частици. Така се образува специфичен вид плазма, която има сравнително ниска температура на неутралния газ с високо съдържание на свободни радикали от оксиден и нитрозен тип. Свободните радикали в аргоновата плазма са вероятната причина за мощния дезинфекциращ и коагулиращ ефект, който се наблюдава при експериментално получени рани.
В чистата и приложна физика плазмата се използва предимно за т.нар. управляем термоядрен синтез или, просто казано – вечната енергия, която човечеството се стреми да започне да произвежда. НИГ 3.1.4 BioMimetaMechanics обаче работи със „студена“ микровълнова аргонова плазма и изследва нейните медико-биологични ефекти. Преди да започне работата по този проект гл. ас. Тодор Богданов създава специален уред, с който дава възможност аргоновата плазма да бъде създадена и изведена с вълновод и кварцова канюла с линейни размери колкото върха на писалка. Д-р Богданов успява да фокусира магнитното поле и да изведе плазмата през кварцова тръбичка, от която тя излиза като пламък с дължина около 1,5 cm.
Фиг.1 Експозиционна система за третиране на рани с помощта на студена микровълнова аргонова плазма върху експериментални животни с имплантирана камера за интравитална микроскопия и експериментално получена рана за анализ на регенеративните промени при едновременно приложение на интравитална микроскопия и експозиция с плазма in vivo.
„Студената микровълнова Аргонова плазма бихме могли да сравним с огън, който гори но не изгаря тъканта, върху която въздейства“, обяснява доц. Трайков. Така създадената фокусирана плазма дава много нови възможности. Учените от НИГ 3.1.4 я изпробват върху животни като индуцират кожно нараняване до дерма. Третирайки разреза с плазма, кървенето спира за 30 секунди. Резултатите от опита ги обнадеждават, че това има огромен потенциал в медицината. Опитите в тази насока продължават. Върху животни са създадени изкуствени рани. Част от тях са оставени да зараснат сами, а останалите се третират с аргонова плазма за 30 секунди на ден. Резултатите показват два пъти по-бързо възстановяване при раните, третирани с плазма, разказва доц. Трайков и добавя, че другият голям позитив е свързан с това, че плазмата не причинява изгаряне. „В медицината отдавна се работи с т.нар. калтери – електрически и лазерни устройства, които се използват за хирургия на жлези. Жлезите са обилно кръвоснабдени и на практика, в момента, в който се реже, тези калтери буквално „изпичат“ тъканта, за да се предотврати обилната кръвозагуба. Това са известните термични калтери. В нашия случай плазмата прави същото, но нетермично, което води до запазване на интактността на невроните“, разказва доц. Трайков и допълва, че регенерацията е много по-бърза, заради това, че тъканта остава на практика жива. Засега устройството, модифицирано и подобрено от от д- р Тодор Богданов, е с твърде големи размери, за да може да бъде използвано директно в хирургическата практика, затова той и екипът му работят върху намаляването на размера на апарата.
На въпрос дали е изследвано потенциално вредно влияние на студената аргонова микровълнова плазма, доц. Трайков отговаря, че техният екип е изследвал детайлно целия процес на регенерация. В един от изследователските етапи, при който се изолират кожни проби, се установява, че непосредствено под зоната на облъчване се увеличава сплетението от кръвоносни съдове. За научноизследователския екип това е знак, че сестимулира нео-ангиогенезата под действието на високо-честотните електромагнитни вълни по време на действие на студената микровълнова аргонова плазма, което, от своя страна, е фактор, благоприятстващ бързото заздравяване на рани. Основното действие на аргоновата плазма е кръвоспиращо и дезинфекциращо. „Това беше ключов момент“, спомня си доц. Трайков. Той представя резултатите от проучванията си на конгрес в Япония, където в периода 2002 – 2004 г. е заемал пост-докторска позиция към Националния институт по обществено здраве в Токио. Японските учени харесват идеята и приемат предложението на доц. Трайков да се присъединят към проекта на НИГ 3.1.4 като консултанти. „Като знак на добра воля японските ни колеги ни подариха 20 камери за имплантация за интравитална микроскопия, която позволява в будно състояние на експерименталното животно да се види какво се случва с кръвоносните съдове под 60 микрометра – съдове от микроциркулаторното русло, и как се променя регулацията на кръвообращението, как се изменя диаметърът на кръвоносните съдове и други параметри“, разказва доц. Трайков. Дотук ключовият момент е, че стимулацията на неоангеогенезата е добрият ефект, който цели всяка регенеративна
медицина. В същото време обаче не се знае докъде ще устои системата и дали няма да се активират прото-онкогените и като цяло процесът да се обърне и превърне в нео-туморогенеза, разяснява ученият и допълва, че многократното експониране дава ефекти върху неоангеогенезата, но все още няма сигурност дали не дава отрицателни ефекти върху стимулирането на разстежа на туморни клетки. Все пак доц. Трайков и екипът му базират научната програма BioMimetaMechanics на оптимистичен модел и решават, че могат да направят нещо наистина голямо в областта на
регенеративната медицина. Затова и канят проф. Тодор Узунов и екипа му в проекта. „Денталната медицина се бори с проблеми свързани с имплантацията на имплантите. Нашата идея е с помощта на 3D принтерите, закупени със средства по проекта, да създадем специфични импланти, чиято вътрешна структура да е специално моделирана или, най-просто казано, в тях да има малки каналчета, които могат да изпадат в резонанс с приложено външно механично въздействие“, казва доц. Трайков. Той уточнява, че съществува теория за екстрацелуларния матрикс, за който се счита че има голям потенциал за регенерацията на тъканта, а също и че е като антена за външни физични въздействия – най-често високочестотни електромагнитни полета. Ученият пояснява, че самата плазма няма способност за дълбоко проникване в тъканта и освен това той и екипът му са доказали, че с прилагането ѝ температурата на тъканта не се покачва над 36 градуса, а в същото време запечатва раната и създава около 40 вида свободни радикали, които дезинфекцират повърхността – самите аргонови атоми го правят, следствие на лекия абразио ефект.
Електромагнитните полета водят и до дилатация (бел. авт. разширяване) на кръвоносните съдове. При опитите си учените от НИГ 3.1.4 получават поразителен ефект. Посредством камера за интравитална микроскопия се вижда как в момента на облъчването със студена микровълнова Аргонова плазма от 60 микрометра кръвоносния съд достига до 80 микрометра. Именно това обнадеждава учените биофизици, заедно с проф. Узунов и неговия екип, да приложат тези резултати в денталната медицина и по-специално в направленията: дентални материали и имплантология. „Теорията за екстрацелуларния матрикс е, че ако периодично бъде подложен на вибрации и механично въздействие, той се разраства и прави структурата много плътна. В същото време, идеята е с тези вибрации да направим такава вътрешна структура на импланта, че като го облъчваме отвън, той да започне да резонира и, грубо казано, да започне да привлича към себе си остеобласти, т.е да въздейства върху екстрацелуларния матрикс и да уплътни около себе си костната тъкан“, обяснява доц. Трайков и допълва, че ако успеят това ще бъде първият в света
самоимплантиращ се имплант. Предстоят още опити върху клетъчни моделни системи, които ще дадат отговори на въпроса дали въздействието на аргоновата микровълнова плазма е абсолютно безопасно. През първата година от изпълнението на проекта учените от НИГ 3.1.4 са ангажирани подготовката на технически спецификации за закупуване на апаратура, а впоследствие – и с оценка на постъпилите оферти в рамките на проведените процедури за избор на изпълнители. В резултат от научноизследователската си работа учените имат шест публикации в списания с импакт фактор.
