Часть 1. Эксперименты по гравитационной физиологии животных

Особенности длительных космических экспедиций предъявляют новые требования к системе профилактических мероприятий, направленных на предотвращение неблагоприятных физиологических последствий длительного пребывания в условиях космического полета. Для разработки и усовершенствования технологии профилактических мероприятий необходимо получение новых данных о влиянии факторов космического полета на организм человека.

Методология получения таких данных сводится к трем возможным подходам: непосредственная оценка действия космических факторов на организм человека в пилотируемых полетах, создание наземных тестовых моделей для оценки действия отдельных составляющих комплекса факторов космического полета, разработка биологических моделей для оценки действия факторов реального космического полета. Каждый из подходов имеет свои преимущества и недостатки. Оценка действия физических факторов на организм человека в реальном космическом полете позволяет выявить комплексные эффекты и оценить степень возможного риска для члена экспедиции, предложить адекватные подходы к возможным мерам профилактики. В то же время, в соответствии с биоэтическими нормами любой пилотируемый полет сопровождается комплексом ранее разработанных профилактических мероприятий, которые затрагивают состояние большинства физиологических систем. При этом необходимая стандартизация данных оказывается практически невозможной в силу индивидуального характера профилактических мероприятий. Кроме того, в силу биоэтических требований, полная и корректная оценка состояния ряда физиологических систем у человека в космическом полете оказывается невозможной из-за ограниченных возможностей инвазивных процедур. Однако только такая оценка, получаемая сегодня с помощью новых исследовательских технологий высокого разрешения, позволит сформировать новые представления о ключевых мишенях профилактических и коррекционных процедур.

Например, без адекватной молекулярно-физиологической оценки состояния вестибулярных структур и их центральных проекций и рефлекторных выходов невозможно обеспечить радикальное качественное улучшение противокинетозной коррекции у космонавтов. Такая оценка, в свою очередь, невозможна без прямого исследования вестибулярных структур. Неоднократные нарушения управления точностными движениями у членов экипажей орбитальных комплексов иногда даже приводили к возникновению технических нештатных ситуаций. В настоящее время отсутствуют эффективные средства предотвращения развития подобных опасных пограничных состояний. Очевидно, только прямые физиологические и молекулярно-физиологические исследования мозговых структур (возможные только в опытах на животных) могут создать предпосылки для профилактики таких изменений.

Использование наземных тестовых моделей с привлечением испытателей-добровольцев также имеет определенные ограничения. Так, несмотря на достаточно детально разработанные подходы к имитации действия отдельных факторов полета, полное воспроизведение условий даже применительно только к фактору невесомости на Земле теоретически невозможно. В то же время, этические ограничения, накладываемые на инвазивные процедуры, не позволяют оценить состояние ряда физиологических систем, тканей и органов, особенно это касается использования новых клеточных и молекулярно-биологических подходов.

В течение многих лет в 20-м веке использовали биологические модели для оценки действия факторов космического полета на живой организм. Для этого осуществляли полеты пилотируемых и автоматических космических аппаратов с лабораторными животными на борту. Такой подход снимает большинство ограничений, накладываемых на аналитические методы в работе с человеком, позволяет исключить действие профилактических процедур, создать систему стандартизации данных.

В конце 20-го века в России была реализована программа БИОН, направленная на исследование механизмов адаптации организма млекопитающего к действию факторов космического полета. Биологические спутники серии БИОН запускались 1 раз в 3–4 года, несли на борту млекопитающих 1–2 видов (крысы, макаки-резусы), при этом после полета проводили комплексный структурно-функциональный анализ основных физиологических систем, органов и тканей с помощью исследовательских технологий, доступных в тот период. С 80-х годов прошлого века программа БИОН уже носила международный характер. Ученые Соединенных Штатов Америки, Франции, стран Восточной Европы совместно с советскими исследователями проводили исследования, позволившие сформировать весь базис современной космической биологии и медицины. Так, именно в рамках проекта БИОН получены основные данные о механизмах вестибулярных рефлексов, о состоянии сенсорного аппарата в условиях невесомости (на обезьянах), о гипоадренергических сдвигах в структурах головного мозга, о закономерностях атрофических изменений скелетных мышц (наиболее выраженные изменения характерны для постуральных экстензоров). В российско-американском эксперименте были установлены новые закономерности управления мышечной активностью – инактивация постуральных и активация флексорных мотонейронов. В рамках проекта БИОН впервые были получены данные об изменении изоформного состава легких и тяжелых цепей миозина в сторону преобладания быстрых изоформ. Впервые в рамках программы установлены основные закономерности процессов резорбции кости.

Последний такой проект был реализован в 1997 году. С тех пор в России такого рода проекты не осуществлялись. В то же время, в последние годы российские ученые РАН и университетов получили доступ к современным технологиям (конфокальная микроскопия, RT-PCR и т.п.), позволяющим проанализировать физиологические сдвиги в организме на уровне генной экспрессии и иных тонких клеточно-молекулярных механизмов. Осуществление широкой программы научных исследований в экспериментальном длительном полете нового космического аппарата БИОН-М №1 должно стать новым этапом на пути познания механизмов действия факторов космического полета, прежде всего невесомости, на живые системы, в частности, на организм млекопитающих. Проект БИОН-М №1 будет первым проектом в ряду намеченных в 21-ом веке миссий российских космических аппаратов с программой медико-биологической направленности. Так, намечены полеты с конкретной целевой направленностью, предполагающей изучение комбинированного действия ионизирующей радиации и невесомости, эффектов искусственной гравитации в реальном полете, а также исследование эффективности других новых подходов к профилактике неблагоприятных последствий космического полета. Важным шагом на этом пути может стать исследование острого периода реадаптации живых организмов к земной гравитации.

Однако все эти целевые полеты требуют проведения базовых исследований, позволяющих с использованием современных технологий, находящихся на вооружении у российских и зарубежных ученых, подтвердить или установить тот набор информации о состоянии физиологических систем, который даст в будущем возможность испытывать эффективность инновационных подходов к космической профилактике. Эта функция и будет возложена на программу БИОН-М №1.

Таким образом, современный уровень биомедицинской науки определяет комплексную направленность исследований на борту КА БИОН-М № 1, что предполагает включение в научную программу как исследований клеточно-молекулярных механизмов адаптации к факторам космического полета, так и анализа интегративных функций мозга млекопитающих.

Программа исследований основана как на имеющемся багаже знаний по космической биологии и медицине, так и на новой информации, появившейся в современной физиологии 21 века.

Огромный объем данных, накопленных в космической физиологии к настоящему времени, свидетельствует о том, что практически все физиологические системы подвергаются воздействию факторов космического полета, главным образом, действию невесомости. Однако наиболее чувствительными к этому фактору оказываются четыре физиологические системы, изменения которых определяют развитие глубоких системных сдвигов, оказывающих драматическое влияние на поведение, самочувствие и работоспособность человека, его функциональные возможности после возвращения на Землю. Это центральная нервная система с сенсорным аппаратом, сердечно-сосудистая система, соединительнотканный скелет с системой водно-минерального обмена и скелетные мышцы. В функционировании каждой из этих систем у млекопитающих, да и у всех наземных позвоночных, важнейшую, если не определяющую роль играют гравитационно-зависимые механизмы. Нарушения работы этих механизмов и определяют характер и глубину структурно-функциональных изменений физиологических систем в невесомости. В каждом отдельном случае действие гравитации воспринимается соответствующими рецепторными системами на тканевом, клеточном и молекулярном уровнях организации, полученная информация поступает в нервные или иные интегративные центры и обрабатывается там, а затем доводится до исполнительных структур в каждой из физиологических систем. При этом реализация полученного сигнала выражается не только в непосредственной реакции данного органа или структуры на изменение гравитационной среды, но и, в случае устойчивых изменений гравитации, в средне- или долгосрочных адаптационных эффектах. Развитие методов молекулярной и клеточной биологии в последнее время позволило свести все многообразие клеточных адаптаций к изменениям экспрессии генов и к среднеустойчивым посттрансляционным модификациям функционирующих белков, а адаптационные изменения в целостном организме рассматривать как результат интеграции клеточных адаптаций. Поэтому на новом этапе развития космической физиологии в ходе реализации комплексных экспериментальных программ целевая установка применительно к основным вышеназванным физиологическим системам будет состоять в анализе механизмов восприятия гравитационного стимула, механизмов передачи и обработки полученной информации и механизмов структурно-функциональных изменений исполнительных структур на уровне экспрессии генов, посттрансляционных модификаций белковых молекул и их функционирования в целостном организме млекопитающего.

Выполнение этой целевой установки требует использования новых подходов к выбору биологических объектов для такого полета. В настоящее время для корректной и наиболее полной реализации методов молекулярной и клеточной биологии необходим объект с хорошо изученным и секвенированным геномом, с достаточно проанализированным составом белков (протеомом) при доступности основного видоспецифичного биохимического и молекулярно-биологического инструментария – антител, праймеров и зондов. При этом должна быть высока сингенность изучаемых экспериментальных популяций (линейность) – такое требование не полностью выполнимо при использовании лабораторных крыс. Одновременно данный биологический вид по своим физиологическим данным (особенности поведения, двигательной активности и питания) должен удовлетворять минимальным требованиям современной технологии обеспечения жизнедеятельности в замкнутых системах и должен быть хорошо изучен с точки зрения системной физиологии. И хотя вряд ли удастся найти биологический вид, полностью удовлетворяющий перечисленным требованиям, наиболее близки к такому идеалу лабораторные мыши Mus musculus, линия С57black/6. В последние годы американские исследователи неоднократно использовали эту линию мышей для космических экспериментов. В исследованиях Европейского космического агентства в пилотном эксперименте недавно удалось добиться выживания трех мышей в течение 3-месячного полета на Международной космической станции.

Таким образом, в мировой науке уже накоплен некоторый положительный опыт космических экспериментов с мышами линии С57black/6. Таким образом, задачи исследований на мышах в полете космического аппарата БИОН-М №1 следующие:

• Продолжить исследования физиологических адаптаций к условиям длительного космического полета (30 суток), сосредоточивая внимание на нервных и молекулярных механизмах гравирецепции в различных физиологических системах.
• Исследовать клеточные и молекулярные изменения в различных органах и тканях (включая изменения внутриклеточных сигнальных механизмов, изменения паттерна экспрессии генов и посттрансляционной модификации белков) после длительного космического полета с применением новейших технологий.
• Сосредоточить внимание на исследовании молекулярно-биологических и физиологических основ поведения и двигательной активности животных с целью выявления возможных механизмов двигательных нарушений в условиях невесомости.
• Сопоставить изменения молекулярно-биологических параметров в условиях космического полета с изменениями поведения и функционального состояния животных в остром периоде реадаптации.
• Выявить изменения регенераторных систем организма в условиях невесомости, учитывая их подверженность действию галактических излучений.

В последние годы, во время вынужденного перерыва в российских исследованиях на беспилотных аппаратах, биологи обратили внимание на некоторые, хотя и ограниченные возможности, предоставляемые при использовании космических аппаратов серии ФОТОН. В 2007 году на борту спутника Фотон-М-3 впервые были размещены контейнеры с монгольскими песчанками – животными, обладающими уникальными свойствами, позволяющими оценить действие невесомости на ряд физиологических систем.

Монгольские песчанки по сравнению с крысами и, особенно, с мышами не столь требовательны к условиям содержания, невелики по размерам (масса половозрелой песчанки составляет 40–50 г), что позволяет упростить и уменьшить массу и объем систем содержания и жизнеобеспечения животных. В связи с этим стоимость изготовления полетного модуля значительно уменьшается, а число полетных экспериментов может быть увеличено. Песчанки не относятся к категории лабораторных животных, хотя и используются в лабораторной практике довольно длительное время. Замкнутая популяция песчанок в условиях обычного вивария хорошо размножается и может существовать неограниченно долго. Песчанки хорошо приручаются и спокойно относятся к манипуляциям с ними. Поскольку в природных условиях песчанки живут «семейными группами» в аридных зонах с выраженным континентальным климатом и резкими сезонными и суточными перепадами температур, они значительно более резистентны, по сравнению с мышами и крысами, к неблагоприятным условиям внешней среды и при наличии сочных кормов длительное время могут обходиться без воды. Песчанка является хорошим объектом при проведении морфологических исследований, исследований водно-солевого обмена, физиологических исследований рецепторных систем и др. В свете вышесказанного представляется, что использование песчанок в полетных экспериментах с использованием адаптированного для их содержания модуля вполне оправданно. В 12-суточном полетном эксперименте на борту спутника Фотон-М3 были проанализированы изменения структуры и функции органов и тканей монгольской песчанки в условиях невесомости. Были получены и опубликованы уникальные материалы, свидетельствующие о большом значении водно-солевых изменений в организме в условиях невесомости для гравитационно-зависимых процессов, наблюдающихся в других органах и тканях. Понятно, что в интересах космической медицины необходимо получить данные о зависимости выраженности изменений, обнаруженных у монгольской песчанки в космическом полете, от длительности воздействия. Поэтому предлагается подвергнуть и этот вид животных действию факторов космического полета в полетном эксперименте длительностью 30 суток.

Итак, с учетом уникальных биологических особенностей организма монгольских песчанок в проекте БИОН-М № 1 предлагается решить следующие экспериментальные задачи:

• Продолжить исследования механизмов хронических изменений структуры и функции органов и тканей млекопитающих в условиях космического полета средней продолжительности с использованием как традиционных экспериментальных методов и подходов, так и подходов, основанных на новейших исследовательских технологиях (прецизионная световая, флуоресцентная и электронно-микроскопическая иммуногистохимия белков и гормональных рецепторов, PCR в реальном времени, ретроградное и межнейрональное мечение, атомно-абсорбционная спектрофотометрия и пр.).
• Проанализировать особенности структурно-функциональных изменений системы водно-солевого обмена у песчанок в условиях 30-суточного космического полета и сопоставить полученные данные с результатами исследований в 12-суточном полете спутника Фотон-М3.
• Сопоставить выраженность изменений органов и тканей в условиях невесомости у крыс (по данным предыдущих исследований на спутниках серии БИОН) и выраженность изменений в настоящем эксперименте у монгольских песчанок и, с учетом особенностей водно-солевого обмена в организме песчанок, проанализировать роль изменений водно-солевого обмена в адаптационных процессах в других физиологических системах.

Для решения общих экспериментальных задач полета в программу включены 79 научных экспериментов, разработанных учеными Российской Федерации (институтов РАН и РАМН, университетов и других высших учебных заведений) совместно со специалистами Украины, Соединенных Штатов Америки, Франции, Италии, Германии. В программу также включен эксперимент, предложенный учеными Института атомной энергии Республики Корея.