С орбиты — в аптеку. Как космическая медицина может пригодиться медицине земной

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Біжан Шаропов
Кандидат біологічних наук, молодший науковий співробітник Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАНУ, головний біолог ТОВ «Українські генетичні технології»

Начну эту статью с дискредитации ее же центральной идеи, а позже исправлюсь. Честно говоря, влияние космической медицины на земную пока довольно незначительно, и причины этого вполне прозаичны. Современная биология, как и физика элементарных частиц, является отраслью, в которой изучается крошечный испытуемый объект микро- и наноскопического размера с помощью огромных агрегатов, которые могут занимать целые комнаты. Простой комплекс для поддержания жизнедеятельности клеток ex vivo (специалисты называют это «культивированием»), состоящий из ламинарного бокса и CO₂-инкубатора, весит пару тонн. Ясно, что тащить его на орбиту чрезвычайно ресурсозатратно и просто нерентабельно с точки зрения возможного полезного выхода.

С другой стороны, медицинские исследования с «космической перспективой» могли бы проводиться и в земных лабораториях, но тут мы сталкиваемся с другой проблемой: геркулесовым здоровьем космонавтов. Как сказал Смит Джонстон, директор Клиники специальной и полетной медицины NASA, «аэрокосмическая медицина — это когда мы берем очень здоровых людей и помещаем их в очень специфические условия». Можно сказать, что обычная медицина направлена ​​на лечение разных патологий у любых пациентов, а космическая решает большинство проблем путем отсева всех потенциальных пациентов еще на начальных этапах. Это в основном превентивная отрасль. В пользу этого тезиса свидетельствует и такой факт: кривые выживаемости Каплана-Мейера, построенные на основе данных о 316 бывших астронавтах из США (включая 45 уже умерших), совпадают с такой же кривой для наиболее здоровой частицы от тотальной популяции — людей, которые не курят, не страдают лишним весом и регулярно занимаются физическими упражнениями.

Впрочем, даже космонавты болеют. История космических путешествий знает и случай инфекции мочеполового тракта во время выполнения миссии Appolo 13 (неудачной по всем пунктам), и внезапного проявления сердечной аритмии у одного из членов экипажа более успешной Appolo 15, и обнаружения почечных камней у советского космонавта прямо на орбите в 1982 году, и еще несколько десятков мелких и средних патологий, которые произошли при выполнении задач в космосе и которые могли угрожать их успешному завершению или даже жизни пилота. Однако в контексте нашей темы интересно другое: среда вне Земли очень непривычна и даже враждебна для человеческого тела — вероятно, не менее враждебна, чем руины Чернобыльской АЭС или дно Марианской впадины — и пребывание в ней вызывает в организме изменения не столько патологического, сколько адаптивного характера. Незаметные в случае короткого орбитального путешествия, они могут приобрести угрожающий масштаб за время длительного (более полугода) пребывания на МКС или, тем более, в течение предстоящей миссии на Марс, которая, вероятно, растянется на несколько лет. Само исследование этих изменений и разработка соответствующих контрмер больше всего способны послужить врачебному делу.

«Антигравитационные» мышцы. Источник: NASA

Эффекты, о которых идет речь, касаются, прежде всего, микрогравитации и ее влияния на опорно-двигательный аппарат. Еще с ранних времен пилотируемых полетов стало известно, что человек теряет примерно 20% мышечной массы всего за 5-10 дней в невесомости. Больше страдают при этом мышцы, которые специалисты в этой области называют «антигравитационными» и которые в земных условиях играют важную роль в поддержании осанки: мышцы спины, шеи и некоторые из мышц ног, прежде всего икроножные и четырехглавые. Такие поразительные изменения отражают исключительную способность биологических систем к самонастройке. Метафорически говоря, их можно назвать сплошными клубками обратных связей. Даже «безработные» сенсорные и моторные нервные окончания, как известно, в течение 1-2 месяцев отмирают в случае ампутации иннервированной ими конечности, что составляет немалую проблему при конструировании современных типов протезов. В регулировке «тренированности» мышц участвует целая сеть сигнальных молекул, объединяемых под общим названием «миокины». Некоторые из них — такие, как FDF-8, или миостатин — своей активностью приводят к ослаблению мышц и использованию их сокращаемых белковых элементов как строительного материала для других процессов в организме, тогда как FST (фолистатин) и подобные выполняют обратную задачу (укрепление) и заставляют тело жертвовать ради этого другими тканями, прежде всего жировой. Динамическое равновесие между этими противоположными процессами нарушается, когда космонавты попадают в условия микрогравитации, из-за чего на орбите им приходится почти 2,5 часа ежедневно заниматься на тренажерах. Не исключено, что при приближении долгожданной экспедиции на Марс стратегию придется поменять. Тренажер не панацея, а первопроходцев в конце пути будет ждать не заботливая команда медиков и длительный реабилитационный курс, а чужая планета с силой тяжести в 0,4 g. Кто знает, не решит ли NASA или SpaceX эту проблему, подарив ленивому человечеству первую фармакологическую замену спортзалу?

Чтобы избежать атрофии мышц, члени экипажа Международной космической станции ежедневно проводят более двух часов
на тренажерах. Источник: NASA

А пока подобные ноу-хау остаются делом хоть и недалекого, но все же будущего, космическая медицина еще в 60-х внесла определенный вклад в решение проблемы мышечной атрофии. Здесь следует отметить, что существует немало «наземных» патологий (травматических, инфекционных, нейродегенеративных), одним из последствий которых является частичное или полное обездвиживание пациента. Всем известен случай Стивена Хокинга, страдавшего латеральным амиотрофическим склерозом — загадочной болезнью, при которой по непонятным пока причинам избирательно погибают α-мотонейроны — нервные клетки спинного мозга, непосредственно передающие команды от моторной зоны церебрального кортекса к скелетным мышцам. Подобные случаи можно разделить на две категории: необратимые нарушения, при которых поддержание мышц в нормальном состоянии может иметь разве что эстетический смысл, и обратимые изменения, при которых препятствование мышечной атрофии позволяет обойтись без длительной, дорогостоящей и неприятной реабилитации. Например, именно со случаем такого рода сейчас имеют дело специалисты «Украинских генетических технологий». Пациент, большую часть жизни проживший за границей, вернувшись в Украину, был внезапно парализован ниже поясницы. Применение техники массового параллельного секвенирования позволило установить инфекционный характер поражения (дающий надежду на его обратимость), однако встал вопрос, как замедлить деградацию мышечной ткани, пока не удастся изгнать патогенные бактерии из цереброспинальной жидкости больного и восстановить его двигательную активность. Один из подходов, разработанных в начале эры орбитальных полетов, состоит в электрическом стимулировании двигательных нервов, что позволяет создавать функциональную нагрузку на мышцы даже в условиях, когда передача сигналов от ЦНС заблокирована. Методика довольно примитивна, но проведение ежедневных сеансов продолжительностью примерно 30 минут позволяет достигать неплохих результатов. И хоть эта технология не нашла значительного применения в аэрокосмической отрасли (из-за некоторых неприятных ощущений, сопровождающих ее применение), однако в обычных клиниках ее до сих пор используют — например, при восстановлении пациентов после инсульта.

Открытие миостатина связано с выведением пород домашних животных, у которых соответствующий ген был «сломан» (или, как говорят биологи, подвергся делеции)

Не менее угрожающие изменения в невесомости претерпевает костная ткань. Хотя, на первый взгляд, она является образованием стабильным, неорганическим и состоящим преимущественно из карбоната кальция (CaCO₃), на самом деле любая кость тоже находится в состоянии динамического равновесия. Как и в случае с мышечной тканью, здесь функциональное состояние определяется балансом между процессами формирования кости, осуществляемым рассеянными по неорганическому матриксу клетками под названием «остеобласты», и ее резорбции, определяющую роль в которой играют клетки-остеокласты. Сегодня собрано немало данных относительно изменений в костной ткани (специалисты называют это «ремоделированием») у испытуемых животных, которые предварительно находились 30 и более суток в условиях микрогравитации на борту МКС. В частности, группа проф. Мелиссы Кайсены из Университета штата Индиана показала, что всего через месяц у экспериментальных мышей общая костная масса уменьшилась на 13%, а плотность костной ткани — на 21%. Более того, исследования по этой проблематике проводились и на людях — конечно, с помощью неинвазивного метода МРТ. Группа проф. Кейтлин Бургхарт из МИТ продемонстрировала многочисленные анатомо-морфологические изменения в позвоночнике шести астронавтов, только что вернувшихся из МКС, среди которых были утолщение межпозвоночных дисков и удлинение позвоночника в целом. Только представьте себе, что было бы, если люди после года в невесомости прибыли на Марс со старческим остеопорозом и грыжами межпозвоночных дисков!

Позвоночник космонавта до и после нахождения на МКС. Обратите внимание на существенно утолщенные межпозвоночные диски и
увеличение общей длины позвоночника. Источник: PLoS One. 2015 Feb 25;10(2):e0117967

Эта проблема заставляет напрягать мозги и земных биологов. В статье Вея Сана с коллегами из Китайского центра исследований и тренировки тайконавтов рассасывание костной ткани при отсутствии гравитационной нагрузки связали с белком Piezo1. Эта недавно открытая молекула считается одним из основных «биологических датчиков» механической стимуляции в организмах высших животных. Ее исследуют всюду: в чувствительных нервных терминалях кожи Piezo1 позволяет ощущать прикосновение, в сосудах — приводить их архитектуру в соответствие с током крови, а, например, в киевском Институте физиологии им. Богомольца ее изучают в связи с работой гладких мышц, испытывающих растяжение. Как было обнаружено в работе д-р Вея Сана, «выключение» гена Piezo1 — состояние, сравнимое с условиями нулевой гравитации — приводит к катастрофическим последствиям при формировании костей у мышей. Плотные их части оказываются утонченными, а губчатые (в специальной терминологии — «трабекулярные») почти не формируются. Впрочем, есть и хорошие новости: уже сегодня существуют фармакологические вещества, способные активировать Piezo1 даже при отсутствии собственно механической стимуляции. Самое первое из созданных веществ такого типа — Yoda1, названное в честь мастера Йоды из «Звездных войн», который в одном из эпизодов поднял космический корабль X-Wing из болота без применения физической силы. Последующие эксперименты с подобными препаратами, вдохновленные, как и описанное выше исследование, проблемами жизни в условиях микрогравитации, могут в дальнейшем послужить и в дальних космических миссиях, и при лечении ломкости костей у обычных землян.

Еще одной проблемой, в решении которой космическая медицина может помочь человечеству, является расстройства сна. Космонавты на борту МКС обычно спят 4-6 часов в сутки, что рядовому студенту в разгар сессии, наверное, могло бы показаться роскошью, но вообще это не является нормой для здорового взрослого человека — тем более, когда цена ошибки намного больше, чем пересдача зачета . Снотворные таблетки являются одними из наиболее употребляемых из 150 препаратов, поставляемых на орбиту. Отчасти это объясняется тем, что экипаж станции видит восход солнца 16 раз в сутки и живет, по словам специалиста ESA Норы Петерсен, «в состоянии постоянного джет-лага». Методы, которыми медики пытаются бороться с бессонницей у космонавтов, включают в себя всевозможные полумеры вроде «сонного обучения» и даже написание специального софта, контролирующего дневной распорядок экипажа.

Впрочем, написание удобного программного обеспечения для «сонного тайм-менеджмента» может быть только паллиативным решением. Корень проблемы — в физиологии головного мозга, и ключ к ее решению следует искать там. Интересное предложение недавно выдвинули ученые NASA, и оно уже нашло свое воплощение в приложениях для мобильных устройств: речь идет о том, как цикл сна/бодрости модулируется спектральными характеристиками попадающего в глаза света.

Кости подопытных мышей, у которых ген Piezo1 был разрушен (Piezo1Ocn/Ocn) в сравнении с контрольными (Piezo1fl/fl). Из публикации Китайского центра исследований и тренировок тайконавтов. Источник: J Biomech. 2014 Sep
22;47(12):2983-8

Глаз (точнее, его рабочая часть — сетчатка, выполняющая ту же роль, что ПЗС-матрица в фотоаппарате) сконструирован эволюцией не только для кодирования информации о форме и размере окружающих предметов. Дело в том, что восприятие света в глазу, как недавно считалось, осуществляется исключительно клетками-фоторецепторами — палочками и колбочками, обладающими этой способностью благодаря наличию в них особых белков-опсинов. Всего выделяют четыре вида этих светочувствительных молекул: «черно-белый» родопсин, имеющийся в палочках (от англ. rod – «палка»), и три типа фотопсинов, локализующихся в колбочках, максимум спектра поглощения которых приходится на зеленое, синее и красное излучения (общеизвестно, что разнообразие красок и оттенков, все эти «салатовые», «чайные» и «коралловые» цвета, в которых так хорошо разбираются женщины и в которых так теряются мужчины, декодируются мозгом из соотношения всего трех базовых цветовых сигналов). Впрочем, недавно стало известно, что описанная выше модель неполна.

Оказалось, что, кроме фоторецепторов, на свет в сетчатке реагирует еще одна структура — так называемые ганглиозные клетки. Об их существовании было известно задолго до начала эры космических полетов, как и об основной их функции, заключающейся в формировании длинных нервных окончаний и, наконец, зрительного нерва, передающего электрический сигнал от палочек и колбочек к церебральной коре. Так вот, исследования показали, что ганглиозные клетки имеют в своей цитоплазме белки-опсины, причем нового, ранее неизвестного типа — т.н. меланопсины. Они не выполняют роли «биологической видеокамеры», регулируя сон, что и предлагает использовать в своем изобретении NASA.

Такое неожиданное «навешивание» нескольких функций на одну и ту же структуру является привычным делом в «живых» механизмах, что разительно отличает их от механизмов «технических». Если инженеры-люди предпочитают простоту, строгость и монофункциональность каждой детали, то природа чаще идет запутанным путем многозадачности и экономии средств. Если бы, скажем, Международную космическую станцию ​​проектировала биологическая эволюция, то вакуумным туалетом можно было бы пылесосить, а пища в тюбиках использовалась бы как термопаста и средство для протирания иллюминаторов.

Каким же образом восприятие ганглиозными клетками света связано с невысыпанием космонавтов и циркадными ритмами? Через гормональную систему: коллатерали от нервных окончаний этих нейронов, кроме зрительной коры V1 в церебральной коре, идут к нескольким ядрам в стволе мозга, связанным с секрецией гормонов мелатонина и кортизола. Те, кто испытывает проблемы с ночным отдыхом, точно видели по крайней мере первое из этих веществ на полках аптек; на МКС оно также пользуется спросом. Эти два гормона — антагонисты. В земных условиях максимум секреции «сонного» мелатонина приходится на темную часть суток между 02:00 и 03:00, в то время как выделение «бодрого» кортизола достигает пика днем ​​между 09:00 и 10:00. Следовательно, освещая сетчатку светом с определенной длиной волны, можно управлять, например, выделением «ночного» мелатонина и помогать мозгу переключиться в режим покоя. По состоянию на данный момент инженерами NASA сконструирован и испытывается прибор SSLA, который является просто твердотельной лампой переменного освещения: в дневное время пиковая часть ее спектра излучения приходится на голубой, что соответствует максимуму поглощения меланопсина, а в ночные часы SSLA переключается на бледно-красный цвет. Представим себе офисы будущего (в случае, если эксперименты со SSLA завершатся успешно), залитые «бодрой» голубизной, которая хоть и может показаться кому-то скучной и однообразной, но уж точно не топ-менеджерам соответствующих компаний, которые увидят ощутимый прирост производительности труда своих подчиненных. В заключение стоит отметить, что идея, пришедшая в голову космическим медикам, используется ныне в мобильных телефонах с приложениями типа Twilight или BlueLightFilter. Ночью, заботясь о быстром засыпании своих владельцев, такие устройства отсекают голубые тона на LCD-дисплее устройства, подавляя активацию меланопсина и стимулируя секрецию мелатонина.

Следовательно, космической медицине еще предстоит пройти долгий путь, чтобы преодолеть все проблемы, с которыми могут столкнуться космонавты во время длительного пребывания на МКС, а также передать многие созданные на этом пути изобретения и решения земным врачам. Бюджет NASA на 2019 год предусматривал выделение 200 млн долларов на Human Research Program (не так уж большая сумма, если учесть затратность современной биологии, к тому же она должна была быть использована в основном в пределах непосредственно связанных с американским космическим агентством исследовательских институтов). Кто знает, возможно, в грядущие годы — с приближением миссии на Марс и запуском программ по длительному пребыванию на Луне — эти бюджеты будут увеличены, и исследователи перейдут к более смелым экспериментам с человеческим телом, позволяющим улучшить здоровье и первопроходцев космоса, и рядовых жителей нашей планеты.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine