Изучение эффектов моделируемого космического полёта на женский организм в наземном эксперименте SIRIUS

Авторы статьи:

Анна Куссмауль, старший научный сотрудник, заместитель заведующего отделом ГНЦ РФ-ИМБП РАН, кандидат биологических наук, член Российской академии космонавтики имени К. Э. Циолковского, действительный член Международной академии астронавтики.

Галина Васильева, заведующий лабораторией исследования костных и метаболических эффектов микрогравитации ГНЦ РФ-ИМБП РАН, кандидат медицинских наук, действительный член Международной академии астронавтики.

Дарья Комиссарова, заместитель заведующего лабораторией питания, гастроэнтерологии и гигиенического контроля физических факторов среды обитания ГНЦ РФ-ИМБП РАН, кандидат биологических наук.

Виктория Кириченко, резидент Асгардии, врач экипажа SIRIUS-21, младший научный сотрудник отдела оперативного управления медицинским обеспечением космических полётов, аспирант ИМБП РАН.

Сергей Пономарёв, исполнительный директор международного проекта SIRIUS, заведующий лабораторией иммунной системы ГНЦ РФ-ИМБП РАН, кандидат медицинских наук, член-корреспондент Международной академии астронавтики.

Пилотируемое освоение дальнего космоса требует решения целого ряда сложных задач в различных областях науки и технологий, в том числе в части медицинского обеспечения этой деятельности. Пребывание человека в условиях космического полёта связано с перестройкой целого спектра процессов в физиологических системах организма. На протяжении многих лет эти изменения отслеживались, анализировались, разрабатывались средства профилактики их возникновения. Тем не менее специфические изменения женского организма в таких условиях по-прежнему мало изучены, поскольку большинство исследований проводится с участием мужчин. При этом участие женщин в космических полётах увеличивается с каждым годом, а освоение дальнего космоса будет невозможно без участия женщин.

Именно поэтому Институт медико-биологических проблем уделяет много внимания наземным исследованиям, посвящённым изучению влияния факторов космического полёта на женский организм, а также разработке средств профилактики для поддержания женского здоровья в полёте. Научные проекты, дающие возможность собрать и исследовать биологический материал участников экспериментов, имитирующих реальный космический полёт, дарят исследователям уникальную возможность изучить сдвиги в функционировании различных систем организма, очертить круг рисков, которые могут ожидать человека в космосе, а также разрабатывать меры своевременной профилактики возможных негативных последствий для физиологических систем организма. Результаты таких исследований позволят разработать рекомендации для включения в медико-биологическое обеспечение космических полётов с участием женщин.

В ходе 8-месячного этапа проекта SIRIUS учёными ИМБП при поддержке Космического Государства Асгардия были изучены изменения микробиологического, иммунологического и костного статусов, состава тела, динамики концентрации электролитов и гормонов, минерально-костного обмена у женщин-добровольцев, находящихся в условиях длительной изоляции в гермообъекте.

Изменения иммунной системы

Чрезвычайно важно исследовать в процессе космического полёта изменения в иммунной системе женщин, в случае нарушения равновесия в работе которой могут наблюдаться такие патологические явления, как инфекционные и онкологические заболевания в случае ослабевания иммунологического надзора с одной стороны, а также аллергические и аутоиммунные состояния при избыточном, неадекватном и бесконтрольном иммунном ответе с другой стороны. Клетки и гуморальные факторы иммунной системы особым образом распределены практически по всем органам и тканям организма, участвуя в работе множества физиологических систем и влияя на жизненно важные функции организма.

Одними из важнейших показателей для оценки являются параметры В-клеточного звена иммунитета, которое обеспечивает точечный, специфичный гуморальный иммунный ответ против определённого антигена. Оказалось, что в период адаптации к условиям изоляции часть параметров иммунной системы демонстрируют изменения, характерные для стрессового состояния и адаптационного сдвига в системе иммунитета. В период восстановления, спустя относительно непродолжительного промежутка времени – семи суток, значение всех анализируемых показателей возросло и практически не отличалось от фоновых значений, что говорит о довольно быстром и полноценном восполнении функций В-клеточного звена после «приземления».

Изменения костной системы

Одним из важных аспектов сохранения работоспособности и качества жизни космонавтов в условиях космического полёта является разработка системы комплексных профилактических мероприятий, направленных на снижение риска развития нарушений минеральной плотности костной ткани, её структуры и прочности. В настоящее время, в преддверии дальних и долголетних космических полётов, проблема изучения состояния опорно-двигательного аппарата космонавтов становится особенно актуальной. Во время лунных и напланетных экспедиций опорно-двигательный аппарат человека должен будет функционировать в новых, отличающихся от орбитальных полётов условиях, когда повседневная гравитационная нагрузка ниже земной, но при этом физические усилия при осуществлении деятельности на других космических объектах могут быть более значительными и продолжительными, чем во время орбитальных полётов.

Достаточно редкие полёты женщин в космос не позволяют исследовать все медицинские аспекты действия космических факторов на их организм. Именно поэтому эксперименты, которые проводят на Земле в области исследования изменений минерального обмена и морфофункциональных нарушений кости, дают нам возможность получить уникальные медико-биологические данные.

Одним из первых значимых экспериментов с участием восьми женщин была длительная 120-суточная антиортостатическая гипокинезия (угол наклона – 6°), проведённая в начале 90-х годов в ИМБП. В эксперименте были апробированы перспективные средства фармакологической коррекции изменений метаболизма кальция и состояния костной ткани. Методом двухфотонной рентгеновской гамма-абсорбциометрии были непосредственно исследованы реакции костного скелета женщин на долговременный дефицит механической нагрузки, а также изучено состояние обмена электролитов и гормональной регуляции костного метаболизма на разных этапах эксперимента. Учёные обнаружили интересные особенности перераспределения минералов в организме участниц, которые могли свидетельствовать о некоторых различиях в процессах адаптации костной ткани к моделируемой невесомости у женщин и мужчин.

Ещё одной актуальной и связанной с костью задачей исследований является оценка влияния экстремальных факторов на компонентный состав (содержание и соотношение жировой и тощей массы) как всего тела человека, так и его отдельных регионов. Не случайно в алгоритме FRAX ® (fracture risk assessment tool), разработанном ВОЗ для определения 10-летнего риска костных переломов, используется тесная связь между минеральной плотностью кости и индексом массы тела, что свидетельствует о влиянии модификаций жирового обмена на процессы костного метаболизма. Практическое значение для космической медицины также имеет оценка нутритивного статуса, который необходим для анализа адекватности поступления с пищей энергии и комплекса ключевых нутриентов во время длительного воздействия на организм факторов КП с целью своевременной коррекции питания космонавтов. Эти исследования позволяют понять процессы метаболической адаптации организма к новым условиям.

При пребывании человека в условиях изоляции в гермообъекте моделируются такие факторы космических полётов, как искусственная среда обитания с отсутствием естественного освещения и смены времени года, гиподинамия, хронический стресс, изменение привычного питания, которые оказывают значимое влияние на регуляцию обмена веществ в организме и затрагивают процессы ремоделирования кости.

Разработанный нами ранее комплексный подход к изучению состояния костной системы включал в себя исследование методом костной рентгеновской денситометрии («золотой стандарт» диагностики остеопороза, dualenergy X-ray absorptiometry, DXA), анализ содержания в крови и моче показателей нейроиммуноэндокринной регуляции физиологических процессов, в том числе тиреоидных и половых гормонов, костных маркеров и электролитов, а также некоторые неинвазивные методы скринингового наблюдения за состоянием кости и состава тела.

После 240 суток пребывания в условиях изоляции у участниц эксперимента SIRIUS-21 увеличивалась доля тощей массы при одновременном уменьшении жировой компоненты. При этом критически значимых изменений содержания костного минерала и плотности кости в экспертных участках скелета (поясничные позвонки L1–L4 и проксимальный отдел бедра) не произошло. Остеоденситометрия пяточной кости, проводимая ежемесячно, позволила получить сведения о биомеханической характеристике кости непосредственно в условиях изоляции и показала разнонаправленные изменения, предположительно связанные с различными режимами физических тренировок у участниц. Полученные результаты инструментальных измерений и анализа биоматериалов войдут в базу данных для дальнейших статистических исследований при накоплении достаточного количества наблюдений.

Изменения микрофлоры

Микрофлора играет важную роль в профилактике воспалительных заболеваний всех биотопов организма человека и создаёт барьер на пути условно-патогенных микроорганизмов, которые могут при активном размножении вызвать дисбиотические состояни, а в запущенном состоянии – воспалительные процессы.

Факторы космической миссии, такие как работа в стрессовых условиях, изменённые режимы питания и проведения гигиенических процедур, постоянный микробный обмен между членами экипажа в замкнутом помещении (космическом корабле или гипотетической лунной станции), являются причиной формирования негативных изменений в микрофлоре различных биотопов. Во множестве модельных экспериментов, имитирующих отдельные факторы космического полёта, было отмечено увеличение количества условно-патогенных микроорганизов и снижение числа протективных в микрофлоре кишечника и верхних дыхательных путей. Однако в этих проводимых ранее модельных экспериментах испытателями являлись в подавляющем большинстве мужчины, поэтому эффект имитируемых факторов космического полёта на микробиом влагалища не изучался ранее, хотя микрофлора данного биотопа играет важную роль не только в создании барьера на пути условно-патогенных микроорганизмов, но и в конечном счёте оказывает влияние на фертильные функции женщины и, в частности, на успешность оплодотворения.

Основным компонентом нормальной микробиоты влагалища являются Lactobacillus spp. Поддержание высокого количества лактобацилл в микрофлоре влагалища является важным условием для сохранения здоровья женщин – участниц длительных космических миссий и напрямую связано с шансами забеременеть.

Оказалось, что количество практически всех анаэробных и факультативных анаэробных условно-патогенных микроорганизмов в биоматериале влагалища и цервикального канала участниц 8-месячной изоляции после эксперимента увеличилось, а количество протективных лактобацилл уменьшилось и стало ниже нормы. Такие изменения могут приводить к развитию воспалительных состояний и свидетельствуют о необходимости разработки и использования средств профилактики.

Заключение

В условиях длительных космических полётов организм человека сталкивается со спектром неблагоприятных воздействий, затрагивающих ряд физиологических систем организма. Наземные изоляционные эксперименты, имитирующие условия реального длительного космического полёта, поставляют бесценный фактический материал, помогающий приблизиться к пониманию процессов, лежащих в основе функциональных преобразований систем организма при действии факторов космического полёта.

В ходе реализации эксперимента SIRIUS-21 получены данные по динамике параметров, характеризующих изменения микробиологического, иммунологического и костного статусов, состава тела, динамики концентрации электролитов и гормонов, минерально-костного обмена, у женщин-добровольцев, находящихся в условиях длительной изоляции в гермообъекте.

В результате проведённого исследования был обнаружен комплекс изменений в изученных системах, по-видимому, носящих адаптационный характер. Ввиду малой группы полученных данных недостаточно, требуется проведение дальнейших исследований для более глубокого понимания процессов, происходящих в женском организме при действии факторов космического полёта. Работы по изучению этих процессов будут продолжаться.