pulmoПульмонологияPULMONOLOGIYA0869-01892541-9617Scientific and Practical Journal “PULMONOLOGIYA” LLC10.18093/0869-0189-2024-34-5-669-675pulmo-4382Research ArticleМАТЕРИАЛЫ КОНГРЕССА: ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА В МЕДИЦИНЕCONGRESS: APPLICATION OF HYDROGEN IN MEDICINEГибридная система по производству оксида азота и водородаHybrid system for nitric oxide and hydrogen productionhttps://orcid.org/0000-0001-7331-2679СелемирВ. Д.SelemirV. D.

ъ

Селемир Виктор Дмитриевич – д. ф.-м. н., член-корр. Российской академии наук, заместитель научного руководителя по электрофизическому направлению.

607188, Нижегородская обл., Саров, пр. Мира, 37: тел.: (831) 302-81-84

Victor D. Selemir - Doctor of Physics and Mathematics, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences.

Pr. Mira 37, Nizhegorodskaya obl., Sarov, 607188; tel.: (831) 302-81-84

selemir@vniief.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3636-6210ШиршинА. С.ShirshinA. S.

Ширшин Александр Сергеевич – к. т. н., начальник научно-исследовательского отдела Научно-производственного центра физики.

607188, Нижегородская обл., Саров, пр. Мира, 37: тел.: (831) 302-74-86

Alexander S. Shirshin - Candidate in Technical, Head of the Research Department, Research and Production Center of Physics.

Pr. Mira 37, Nizhegorodskaya obl., Sarov, 607188; tel.: (831) 302-74-86

shirshin@ntc.vniief.ruhttps://orcid.org/0009-0009-0560-5854БурановС. Н.BuranovS. N.

Буранов Сергей Николаевич – главный специалист по газоразрядным технологиям медицинской техники Научно-производственного центра физики.

607188, Нижегородская обл., Саров, пр. Мира, 37; тел.: (831) 302-73-22

Sergey N. Buranov - Chief Specialist in Gas-Discharge Technologies, Medical Equipment, Research and Production Center of Physics.

Pr. Mira 37, Nizhegorodskaya obl., Sarov, 607188; tel.: (831) 302-73-22

buranov@ntc.vniief.ruhttps://orcid.org/0009-0006-7350-165XВалуеваЮ. В.ValuevaJ. V.

Валуева Юлия Вячеславовна – к. б. н., ведущий научный сотрудник Научно-производственного центра физики.

607188, Нижегородская обл., Саров, пр. Мира, 37; тел.: (831) 302-72-41

Julia V. Valueva - Candidate of Biology, Leading Researcher, Scientific and Production Center of Physics.

Pr. Mira 37, Nizhegorodskaya obl., Sarov, 607188; tel.: (831) 302-72-41

yvvalueva@vniief.ruГоловановВ. В.GolovanovV. V.

Голованов Валерий Владимирович – старший научный сотрудник Научно-производственного центра физики.

607188, Нижегородская обл., Саров, пр. Мира, 37: тел.: (831) 302-76-39

Valery V. Golovanov - Senior Researcher, Scientific and Production Center of Physics.

Pr. Mira 37, Nizhegorodskaya obl., Sarov, 607188; tel.: (831) 302-76-39

vvgolovanov@vniief.ruСмирновД. П.SmirnovD. P.

Смирнов Дмитрий Петрович – инженер-исследователь Научно-производственного центра физики.

607188, Нижегородская обл., Саров, пр. Мира, 37: тел.: (831) 302-73-22

Dmitry P. Smirnov - Research Engineer, Scientific and Production Center of Physics.

Pr. Mira 37, Nizhegorodskaya obl., Sarov, 607188; tel.: (831) 302-73-22

dpsmirnov@vniief.ruТырзовВ. Н.TyrzovV. N.

Тырзов Вячеслав Николаевич – инженер-исследователь Научно-производственного центра физики.

607188, Нижегородская обл., Саров, пр. Мира, 37: тел.: (831) 302-70-14

Vyacheslav N. Tyrzov - Research Engineer, Scientific and Production Center of Physics.

Pr. Mira 37, Nizhegorodskaya obl., Sarov, 607188; tel.: (831) 302-70-14

vntyrzov@vniief.ruФедеральное государственное унитарное предприятие «Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики»РоссияFederal State Unitary Enterprise “Russian Federal Nuclear Center – All-Russian Research Institute of Experimental Physics”Russian Federation202411102024345669675Copyright © Селемир В.Д., Ширшин А.С., Буранов С.Н., Валуева Ю.В., Голованов В.В., Смирнов Д.П., Тырзов В.Н., 20242024Селемир В.Д., Ширшин А.С., Буранов С.Н., Валуева Ю.В., Голованов В.В., Смирнов Д.П., Тырзов В.Н.Selemir V.D., Shirshin A.S., Buranov S.N., Valueva J.V., Golovanov V.V., Smirnov D.P., Tyrzov V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.pulmonology.ru/pulm/article/view/4382

В настоящее время в медицинскую практику для ингаляционной терапии оксидом азота (NO) внедрен аппарат «Тианокс», производящий NO в неравновесной плазме искрового диффузного разряда в воздухе при атмосферном давлении. При развитии медицинских методик наблюдается тенденция к использованию для ингаляций лечебной газовой смеси с NO высокой концентрации. Это сопряжено с возможностью развития оксидативного стресса за счет перехода NO в активные промежуточные соединения: диоксид азота, пероксинитрит, нитротирозин. Использование водорода (H2) как антиоксиданта, при помощи которого снижаются уровни гидроксильных радикалов и пероксинитрита, защищает клетки от окислительного повреждения. Положительное воздействие смеси NO и H2 показано в экспериментах с животными.

Целью работы явилась демонстрация разработки специалистов Федерального государственного унитарного предприятия «Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» первой гибридной системы по производству NO и H2. Система создана на базе плазмохимического генератора «Тианокс» и генератора H2 на основе электролизера с твердым полимерным электролитом и оснащена монитором H2, NO, NO2. При помощи системы обеспечивается непрерывный мониторинг концентрации этих газов и безопасность медицинских процедур путем отключения генераторов NO и H2 при превышении концентрации газов заданных максимальных значений H2max, NOmax, NO2max.

Заключение. Впервые разработанная гибридная система по производству NO и H2 апробирована в исследованиях с участием пациентов. По результатам предклинических исследований доказана ее эффективность и безопасность.

The device for nitric oxide inhalation therapy TIANOX has been put into use in clinical practice. It produces NO in nonequilibrium plasma of a diffusive spark discharge in the air at atmospheric pressure. There is a tendency to use a therapeutic gas mixture with high NO concentration for inhalation in the developing medical treatment methods. Nitric oxide transition into active compounds such as nitric dioxide, peroxynitrite, and nitrotyrosine can lead to oxidative stress. The use of hydrogen as an antioxidant that decreases the levels of hydroxyl radicals and peroxynitrite can protect cells from oxidative damage. Positive effect of the nitric oxide mixture and hydrogen is shown in the experiments with animals.

The aim of the article is to describe development and performance the first hybrid system producing nitric oxide and hydrogen that was created in Federal State Unitary Enterprise “Russian Federal Nuclear Center – All-Russian Research Institute of Experimental Physics”. The system is based on the plasmochemical generator Tianox and the hydrogen generator, which is based on the electrolyzer with a solid polymeric electrolyte. It is fitted with H2, NO, and NO2 monitor and provides a continuous monitoring of concentrations of these gases and helps ensure safety of medical procedures by disconnecting NO and H2 generators at the moment when the gas concentrations exceed maximum levels (H2max, NOmax, NO2max).

Conclusion. This hybrid system for nitrogen and hydrogen production passed the first study in human successfully. The preclinical studies also demonstrated its efficacy and safety.

оксид азотаводородплазмохимический синтез оксида азотаэлектролизертвердый полимерный электролитгенератор озонагенератор водородаnitric oxidehydrogenplasmochemical synthesis of the nitric oxideelectrolyzersolid polymeric electrolyteozone generatorhydrogen generatorРабота выполнена при поддержке Акционерного общества «Русатом РДС»The work was carried out with the support of the Joint Stock Company “Rusatom RDS”ReferencesБуранов С.Н., Карелин В.И., Селемир В.Д., Ширшин А.С. Устройство для получения окиси азота. Патент RU № 2553290. Доступно на: https://www1.fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-redirect=true&id=e10d4b252c79b39c12ea31ccaabc9b20Buranov S.N., Karelin V.I., Selemir V.D., Shirshin A.S. [Device for producing nitric oxide]. Patent RU No.2553290. Available at: https://www1.fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-redirect=true&id=e10d4b252c79b39c12ea31ccaabc9b20 (in Russian).Буранов С.Н., Горохов В.В., Карелин В.И. и др. Импульсно-периодический диффузный разряд с автоионизацией в потоке газа. Журнал технической физики. 2020; 90 (5): 755–759. DOI: 10.21883/JTF.2020.05.49175.220-19.Buranov S.N., Gorokhov V.V., Karelin V.I. et al. [Pulse-periodic diffuse discharge with self-ionization in a gas flow]. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki. 2020; 90 (5): 755–759. DOI: 10.1134/S1063784220050060 (in Russian).Буранов С.Н., Карелин В.И., Селемир В.Д. и др. Аппарат ингаляционной терапии оксидом азота «Тианокс» и первый опыт его клинического применения в кардиохирургии. В кн.: Материалы научно-образовательной конференции «Актуальные вопросы и инновационные технологии в анестезиологии и реаниматологии». СПб.; 2018: 4–9. Доступно на: https://spboar.ru/materialy/sborniki-materialov/sbornik-tezisov-aktualnye-voprosy-i-innovatsionnye-tekhnologii-v-anesteziologii-i-reanimatologii/Buranov S.N., Karelin V.I., Selemir V.D. et al. [Device for inhalation therapy with nitric oxide “Tianox” and the first experience of its clinical use in cardiac surgery]. In: [Proceedings of the scientific and educational conference “Topical issues and innovative technologies in anesthesiology and resuscitation”]. St. Petersburg; 2018: 4–9. Available at: https://spboar.ru/materialy/sborniki-materialov/sbornik-tezisov-aktualnye-voprosy-i-innovatsionnye-tekhnologii-v-anesteziologii-i-reanimatologii/ (in Russian).Буранов С.Н., Карелин В.И., Селемир В.Д., А.С. Ширшин. Аппарат для ингаляционной NO-терапии. Приборы и техника эксперимента. 2019; (5): 158–159. DOI: 10.1134/S0032816219040037.Buranov S.N., Karelin V.I., Selemir V.D., Shirshin A.S. [Device for inhalation NO-therapy]. 2019; (5): 158–159. DOI: 10.1134/S0032816219040037 (in Russian).Селемир В.Д., Буранов С.Н., Ширшин А.С. Современные инженерные решения создания оригинального отечественного генератора оксида азота (Тианокс). В кн.: Российский конгресс с международным участием «Инновационные технологии применения медицинских газов в современной клинической практике». М.; 2023. Доступно на: https://spulmo.ru/kongressy/33-kongress/1-rossiyskiy-kongress-innovatsionnye-tekhnologii-primeneniya-meditsinskikh-gazov-v-sovremennoy-klini/?ysclid=lxk65miv53679237549Selemir V.D., Buranov S.N., Shirshin A.S. [Modern engineering solutions for creating an original domestic nitrogen oxide generator (Tianox)]. In: Russian congress with international participation “Innovative technologies for the use of medical gases in modern clinical practice”. Moscow; 2023. Available at: https://spulmo.ru/kongressy/33-kongress/1-rossiyskiy-kongress-innovatsionnye-tekhnologii-primeneniya-meditsinskikh-gazov-v-sovremennoy-klini/?ysclid=lxk65miv53679237549 (in Russian).Dzierba A.L, Abel E.E., Buckley M.S., Lat I. A review of inhaled nitric oxide and aerosolized epoprostenol in acute lung injury or acute respiratory distress syndrome. Pharmacotherapy. 2014; 34 (3): 279-290. DOI: 10.1002/phar.1365.Dzierba A.L, Abel E.E., Buckley M.S., Lat I. A review of inhaled nitric oxide and aerosolized epoprostenol in acute lung injury or acute respiratory distress syndrome. Pharmacotherapy. 2014; 34 (3): 279-290. DOI: 10.1002/phar.1365.Fox-Robichaud A., Payne D., Hasan S.U. et al. Inhaled NO as a viable antiadhesive therapy for ischemia/reperfusion injury of distal microvascular beds. J. Clin. Invest. 1998; 101 (11): 2497–2505. DOI: 10.1172/JCI2736.Fox-Robichaud A., Payne D., Hasan S.U. et al. Inhaled NO as a viable antiadhesive therapy for ischemia/reperfusion injury of distal microvascular beds. J. Clin. Invest. 1998; 101 (11): 2497–2505. DOI: 10.1172/JCI2736.McMahon T.J., Doctor A. Extrapulmonary effects of inhaled nitric oxide: role of reversible S-nitrosylation of erythrocytic hemoglobin. Proc. Am. Thorac. Soc. 2006; 3 (2): 153–160. DOI: 10.1513/pats.200507-066BG.McMahon T.J., Doctor A. Extrapulmonary effects of inhaled nitric oxide: role of reversible S-nitrosylation of erythrocytic hemoglobin. Proc. Am. Thorac. Soc. 2006; 3 (2): 153–160. DOI: 10.1513/pats.200507-066BG.Hataishi R., Rodrigues A.C., Neilan T.G. et al. Inhaled nitric oxide decreases infarction size and improves left ventricular function in a murine model of myocardial ischemiareperfusion injury. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2006; 291 (1): H379–384. DOI: 10.1152/ajpheart.01172.2005.Hataishi R., Rodrigues A.C., Neilan T.G. et al. Inhaled nitric oxide decreases infarction size and improves left ventricular function in a murine model of myocardial ischemiareperfusion injury. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2006; 291 (1): H379–384. DOI: 10.1152/ajpheart.01172.2005.Liu X., Huang Y., Pokreisz P. et al. Nitric oxide inhalation improves microvascular flow and decreases infarction size after myocardial ischemia and reperfusion. J. Am. Coll. Cardiol. 2007; 50 (8): 808–817. DOI: 10.1016/j.jacc.2007.04.069.Liu X., Huang Y., Pokreisz P. et al. Nitric oxide inhalation improves microvascular flow and decreases infarction size after myocardial ischemia and reperfusion. J. Am. Coll. Cardiol. 2007; 50 (8): 808–817. DOI: 10.1016/j.jacc.2007.04.069.Ohsawa I., Ishikawa M., Takahashi K. et al. Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals. Nat. Med. 2007; 13 (6): 688–694. DOI: 10.1038/nm1577.Ohsawa I., Ishikawa M., Takahashi K. et al. Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals. Nat. Med. 2007; 13 (6): 688–694. DOI: 10.1038/nm1577.Hayashida K., Sano M., Ohsawa I. et al. Inhalation of hydrogen gas reduces infarct size in the rat model of myocardial ischemia-reperfusion injury. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2008; 373 (1): 30–35. DOI: 10.1016/j.bbrc.2008.05.165.Hayashida K., Sano M., Ohsawa I. et al. Inhalation of hydrogen gas reduces infarct size in the rat model of myocardial ischemia-reperfusion injury. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2008; 373 (1): 30–35. DOI: 10.1016/j.bbrc.2008.05.165.Yoshida A., Asanuma H., Sasaki H. et al. H(2) mediates cardioprotection via involvements of K(ATP) channels and permeability transition pores of mitochondria in dogs. Cardiovasc. Drugs Ther. 2012; 26 (3): 217–226. DOI: 10.1007/s10557-012-6381-5.Yoshida A., Asanuma H., Sasaki H. et al. H(2) mediates cardioprotection via involvements of K(ATP) channels and permeability transition pores of mitochondria in dogs. Cardiovasc. Drugs Ther. 2012; 26 (3): 217–226. DOI: 10.1007/s10557-012-6381-5.Shinbo T., Kokubo K., Sato Y. et al. Breathing nitric oxide plus hydrogen gas reduces ischemia-reperfusion injury and nitrotyrosine production in murine heart. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2013; 305 (4): 542–550. DOI: 10.1152/ajpheart.00844.2012.Shinbo T., Kokubo K., Sato Y. et al. Breathing nitric oxide plus hydrogen gas reduces ischemia-reperfusion injury and nitrotyrosine production in murine heart. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2013; 305 (4): 542–550. DOI: 10.1152/ajpheart.00844.2012.Liu H., Liang X., Wang D. et al. Combination therapy with nitric oxide and molecular hydrogen in a murine model of acute lung injury. Shock. 2015; 43 (5): 504–511. DOI: 10.1097/SHK.0000000000000316.Liu H., Liang X., Wang D. et al. Combination therapy with nitric oxide and molecular hydrogen in a murine model of acute lung injury. Shock. 2015; 43 (5): 504–511. DOI: 10.1097/SHK.0000000000000316.Радченко Р.В., Мокрушин А.С., Тюльпа В.В. Водород в энергетике: учебное пособие. Екатеринбург: Издательство Уральского университета; 2014. Доступно на: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/30843/1/978-5-7996-1316-7.pdf?ysclid=lxkc5u55dy492068729Radchenko R.V., Mokrushin A.S., Tyul'pa V.V. [Hydrogen in energy: textbook]. Ekaterinburg: Izdatel'stvo Ural'skogo universiteta; 2014. Available at: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/30843/1/978-5-7996-1316-7.pdf?ysclid=lxkc5u55dy492068729 (in Russian).Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н. и др. Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблемы и перспективы. Транспорт на альтернативном топливе. 2008; 3 (3): 62–69. Доступно на: https://cyberleninka.ru/article/n/poluchenie-vodoroda-elektrolizom-vody-sovremennoe-sostoyanie-problemy-i-perspek?ysclid=lxkcjz3dwj950534704Grigor'ev S.A., Porembskiy V.I., Fateev V.N. et al. [Hydrogen production by electrolysis of water: current state, problems and prospects]. Transport na al'ternativnom toplive. 2008; 3 (3): 62–69. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/poluchenie-vodoroda-elektrolizom-vody-sovremennoe-sostoyanie-problemy-i-perspek?ysclid=lxkcjz3dwj950534704 (in Russian).Navarro R.M., Guil R., Fierro J.L.G. 2 Introduction to hydrogen production. In: Subramani V., Angelo Basile A., Veziroğlu T.N., eds. Compendium of Hydrogen Energy. Woodhead Rulishing; 2015; 21‒61. DOI: 10.1016/B978-1-78242-361-4.00002-9.Navarro R.M., Guil R., Fierro J.L.G. 2 Introduction to hydrogen production. In: Subramani V., Angelo Basile A., Veziroğlu T.N., eds. Compendium of Hydrogen Energy. Woodhead Rulishing; 2015; 21‒61. DOI: 10.1016/B978-1-78242-361-4.00002-9.Коробцев С.В. Разработка основ технологии производства и использования водорода на основе высокотемпературных твердооксидных электрохимических обратимых систем: доклад. В кн.: Международный форум «Российские исследования и разработки в области водородных технологий». М.; 2006.Korobtsev S.V. [Development of the fundamentals of technology for the production and use of hydrogen based on high-temperature solid oxide electrochemical reversible systems. Report]. In: International forum “Russian research and development in the field of hydrogen technologies”. Moscow; 2006 (in Russian).Фатеев В.Н., Арчаков О.В., Лютикова Е.К. и др. Электролиз воды в системах с твердым полимерным электролитом. Электрохимия. 1993; 29 (4): 551‒557. Доступно на: https://elibrary.ru/azxnqt?ysclid=lxkdmkwgc1940856586Fateev V.N., Archakov O.V., Lyutikova E.K. et al. [Electrolysis of water in a system with a solid polymer electrolyte at elevated pressure]. Elektrokhimiya. 1993; 29 (4): 551‒557. Доступно на: https://elibrary.ru/azxnqt?ysclid=lxkdmkwgc1940856586 (in Russian).Григорьев С.А., Халиуллин М.М., Кулешов Н.В., Фатеев В.Н. Электролиз воды в системе с твердым полимерным электролитом. Электрохимия. 2001; 37 (8): 953‒957. Доступно на: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44584520Grigor'ev S.A., Khaliullin M.M., Kuleshov N.V., Fateev V.N. [Electrolysis of water in a system with a solid polymer electrolyte at elevated pressure]. Elektrokhimiya. 2001; 37 (8): 953‒957. Доступно на: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44584520 (in Russian).Пахомов В.П., Фатеев В.Н. Электролиз воды с твердым полимерным электролитом. М.: ИАЭ имени И.В.Курчатова; 1990.Pakhomov V.P., Fateev V.N. [Electrolysis of water with solid polymer electrolyte]. Moscow: IAE imeni I.V.Kurchatova, 1990 (in Russian).Акимов А.А., Алексеев С.В., Рогов Ю.Н., Школяренко В.В. Электрохимическое устройство. Патент RU 2211885. 2003. Доступно на: https://www1.fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-redirect=true&id=53e47761a8216a582e405467f74e866eAkimov A.A., Alekseev S.V., Rogov Yu.N., Shkolyarenko V.V. [Electrochemical facility]. Patent RU 2211885. 2003. Доступно на: https://www1.fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-edirect=true&id=53e47761a8216a582e405467f74e866e (in Russian).Паспорт – руководство по эксплуатации «Генератор водорода «Кулон», КЛН.4.970.001 РЭ. Доступно на: https://kulon.nnov.ru/main/4/7Passport – operating manual “Hydrogen Generator “Kulon”, KLN.4.970.001 RE. Available at: https://kulon.nnov.ru/main/4/7 (in Russian).Позднякова Д.Д., Баранова И.А., Селемир В.Д., Чучалин А.Г. Медицинские газы (оксид азота и молекулярный водород): комбинированная терапия, оценка безопасности. Пульмонология. 2024; 34 (1): 42–49. DOI: 10.18093/0869-0189-2024-34-1-42-49.Pozdnyakova D.D., Baranova I.A., Selemir V.D., Chuchalin A.G. [Combination therapy with medical gases (nitric oxide and molecular hydrogen): safety assessment]. Pul’monologiya. 2024; 34 (1): 42–49. DOI: 10.18093/0869-0189-2024-34-1-42-49 (in Russian).Пичугин В.В., Дерюгина А.В., Домнин С.Е. и др. Первый опыт комбинированного применения оксида азота и молекулярного водорода в обеспечении операций на сердце у пациентов высокого риска. Пульмонология. 2024; 34 (1): 32–41. DOI:10.18093/0869-0189-2024-34-1-32-41.Pichugin V.V., Deryugina A.V., Domnin S.E. et al. [The first experience of the combined use of nitric oxide and molecular hydrogen for cardiac surgery in high-risk patients]. Pul’monologiya. 2024; 34 (1): 32–41. DOI:10.18093/0869-0189-2024-34-1-32-41.

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