З орбіти — в аптеку. Як космічна медицина може стати у пригоді медицині земній

 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»

Почну цю статтю з дискредитації її ж центральної ідеї, а згодом виправлюсь. Направду кажучи, вплив космічної медицини на земну поки є доволі незначним, і причини тут цілком прозаїчні. Сучасна біологія, як і фізика елементарних частинок, є галуззю, в якій крихітний піддослідний об’єкт мікро- і наноскопічного розміру вивчається за допомогою величезних агрегатів, що можуть займати цілі кімнати. Простий комплекс для підтримання життєдіяльності клітин ex vivo (фахівці  називають це «культивуванням»), який складається з ламінарного бокса і CO₂-інкубатора, важить пару тонн. Ясна річ, тягти його на орбіту надзвичайно ресурсозатратно і просто нерентабельно з огляду на можливий корисний вихід.

З іншого боку, медичні дослідження з «космічною перспективою» могли би провадитись і в земних лабораторіях, але тут ми стикаємось із іншою проблемою: геркулесовим здоров’ям космонавтів. Як сказав Сміт Джонстон, директор Клініки спеціальної і польотної медицини NASA, «аерокосмічна медицина — це коли ми беремо дуже здорових людей і поміщаємо їх у дуже специфічні умови». Можна сказати, що звичайна медицина спрямована на лікування різних патологій у будь-яких пацієнтів, а космічна вирішує більшість проблем шляхом відсіву усіх потенційних пацієнтів ще на початкових етапах. Це здебільшого превентивна галузь. На користь цієї тези свідчить і такий факт: криві виживаності Каплана-Меєра, побудовані на основі даних про 316 колишніх астронавтів зі США (включно з 45 вже померлими), співпадають із такою ж кривою для найбільш здорової частки від тотальної популяції — людьми, що не курять, не страждають на зайву вагу й регулярно займаються фізичними вправами.

А втім, навіть космонавти хворіють. Історія космічних подорожей знає і випадок інфекції сечостатевого тракту під час виконання місії Appolo 13 (невдалої  за всіма пунктами), і раптового прояву серцевої аритмії в одного з членів екіпажу більш успішної Appolo 15, і виявлення ниркових каменів у радянського космонавта прямо на орбіті у 1982 році, і ще кілька десятків дрібних і середніх патологій, які сталися під час виконання завдань у космосі й які могли загрожувати їх успішному завершенню або навіть життю пілота. Проте у контексті нашої теми цікаво інше: середовище поза Землею є дуже незвичним і навіть ворожим для людського тіла — ймовірно, не менш ворожим, аніж руїни Чорнобильської АЕС чи дно Маріанської западини — й перебування у ньому викликає в організмі зміни не так патологічного, як адаптивного характеру. Непомітні у випадку короткої кількаденної орбітальної подорожі, вони можуть набути загрозливого масштабу під час тривалого (понад пів року) перебування на МКС або, й поготів, упродовж майбутньої місії на Марс, яка, ймовірно, розтягнеться на кілька років. Саме дослідження цих змін і розробка відповідних контрзаходів можуть найбільше прислужитися лікарській справі.

«Антигравітаційні» м’язи. Джерело: NASA

Ефекти, про які йдеться, стосуються насамперед мікрогравітації та її впливу на опорно-руховий апарат. Ще з ранніх часів пілотованих польотів стало відомо, що людина втрачає приблизно 20% м’язової маси всього лишень за 5-10 днів у невагомості. Найбільше страждають при цьому м’язи, які фахівці  у цій галузі називають «антигравітаційними» і які в земних умовах відіграють важливу роль в утриманні постави: м’язи спини, шиї та деякі з м’язів ніг, насамперед литкові та чотириголові. Такі разючі зміни відображають виняткову здатність біологічних систем до самоналаштування; метафорично кажучи, їх можна назвати суцільними клубками зворотних зв’язків. Навіть «безробітні» сенсорні й моторні нервові закінчення, як відомо, упродовж 1-2 місяців відмирають у випадку ампутації кінцівки, яку вони іннервували, що становить чималу проблему при конструюванні сучасних типів протезів. У регуляції  «тренованості» м’язів бере участь ціла мережа сигнальних молекул, які об’єднуються під загальною назвою «міокіни». Деякі з них — такі, як FDF-8, або міостатин — своєю активністю призводять до послаблення м’язів і використання їхніх скоротливих білкових елементів як будівельного матеріалу для інших процесів в організмі, тоді як FST (фолістатин) і подібні виконують зворотну задачу — укріплення —  й змушують тіло жертвувати заради цього іншими тканинами, насамперед жировою. Динамічна рівновага між цими протилежними процесами порушується, коли космонавти потрапляють в умови мікрогравітації, через що на орбіті їм нині доводиться витрачати майже 2,5 години щодня на тренажерах. Не виключено, що при наближенні омріяної всіма експедиції на Марс стратегію доведеться змінити. Тренажер — не панацея, а першопрохідців у кінці шляху чекатиме не турботлива команда медиків і тривалий реабілітаційний курс, а чужа планета з силою тяжіння у 0,4 g. Хтозна, чи не вирішить NASA або SpaceX цю проблему, подарувавши ледачому людству першу фармакологічну заміну спортзалу?

Щоб уникнути атрофії м’язів, члени екіпажу Міжнародної космічної станції щодня проводять більше двох годин
на тренажерах. Джерело: NASA

А поки подібні ноу-хау залишаються справою хоч і недалекого, та все ж майбутнього, космічна медицина ще у 60-х зробила певний внесок у вирішення проблеми м’язової атрофії. Тут маємо зазначити, що існує чимало «наземних» патологій (травматичних, інфекційних, нейродегенеративних), одним із наслідків яких є часткове або повне знерухомлення пацієнта. Усім відомий випадок Стівена Гокінга, який страждав на латеральний аміотрофічний склероз — загадкову поки що хворобу, за якої з незрозумілих причин вибірково гинуть α-мотонейрони, нервові клітини спинного мозку, які безпосередньо передають команди від моторної зони церебрального кортексу до скелетних м’язів. Подібні випадки можна розділити на дві категорії: незворотні порушення, за яких підтримка м’язів у нормальному стані може мати хіба що естетичний сенс, і зворотні зміни, за яких перешкоджання м’язовій атрофії дозволяє обійтися без тривалої, вартісної та неприємної реабілітації. Наприклад, саме з випадком такого штибу мають зараз справу фахівці «Українських генетичних технологій». Пацієнт, який більшу частину життя прожив за кордоном, повернувшись в Україну, був раптово паралізований нижче поперека. Застосування техніки масового паралельного секвенування дозволило встановити інфекційний характер ураження (що дає надію на його зворотність), проте постає питання як пригальмувати деградацію м’язової тканини, доки не вдасться вигнати патогенні бактерії з цереброспінальної рідини хворого і відновити його рухову активність. Один із підходів, розроблених на початку ери орбітальних подорожей, полягає в електричному стимулюванні рухових нервів, що дозволяє надавати функціональне навантаження м’язу навіть в умовах, коли передача сигналів із ЦНС заблокована. Методика примітивна, але проведення щоденних сеансів тривалістю приблизно 30 хвилин дозволяє досягати назагал непоганих результатів. І хоча ця технологія не знайшла значного застосування в аерокосмічній галузі (через певні неприємні відчуття, які супроводжують її застосування), однак  у звичайних клініках її досі використовують — наприклад, при відновленні пацієнтів після інсульту.

Відкриття міостатину було пов’язане з виведенням порід домашніх тварин, у яких відповідний ген був «зламаний» (або, як кажуть біологи, зазнав делеції)

Не менш загрозливих змін у невагомості зазнає кісткова тканина. Хоча, на перший погляд, вона є утворенням стабільним, неорганічним і складеним переважно з карбонату кальцію (CaCO₃), насправді будь-яка кістка теж перебуває у стані динамічної рівноваги. Як і у випадку з м’язовою тканиною, тут функціональний стан визначається балансом між процесами формування кістки, здійснюваним розсіяними по неорганічному матриксу клітинами під назвою «остеобласти», та її резорбції, визначальну роль у чому відіграють клітини-остеокласти. На сьогодні зібрано чимало даних стосовно змін у кістковій тканині (фахівці називають це «ремоделюванням») у піддослідних тварин, які попередньо перебували 30 і більше діб в умовах мікрогравітації на борту МКС. Зокрема, група проф. Мелісси Кайсени з Університету штату Індіана показала, що лише за місяць у експериментальних мишей загальна кісткова маса зменшилася на 13%, а щільність кісткової тканини — на 21%. Ба більше: дослідження з цієї проблематики проводилися і на людях — звісно, за допомогою неінвазивного методу МРТ. Група проф. Кейтлін Бургхарт з МІТ продемонструвала численні анатомо-морфологічні зміни у хребті шести астронавтів, які щойно повернулися з МКС, серед яких були потовщення міжхребцевих дисків і подовження хребта загалом. Уявіть лише, що було б, якби люди після року в невагомості прибули на Марс зі старечим остеопорозом і грижами міжхребцевих дисків!

Хребет космонавта до і після перебування на МКС. Зверніть увагу на суттєво потовщені міжхребцеві диски та
збільшення загальної довжини хребта. Джерело: PLoS One. 2015 Feb 25;10(2):e0117967

Ця проблема змушує напружувати мізки й «земних» біологів. У статті Вея Сана з колегами з Китайського центру досліджень і тренування тайконавтів розсмоктування кісткової тканини за відсутності гравітаційного навантаження пов’язали з білком Piezo1. Ця нещодавно відкрита молекула нині вважається одним із основних «біологічних датчиків» механічної стимуляції в організмах вищих тварин. Її досліджують усюди: в чутливих нервових терміналях шкіри Piezo1 дозволяє відчувати дотик, у судинах — приводити їхню архітектуру у відповідність до потоку крові, а, наприклад, у київському Інституті фізіології ім. Богомольця її вивчають у зв’язку з роботою гладеньких м’язів, що зазнають розтягнення. Як було виявлено у праці д-р Вея Сана, «вимкнення» гена Piezo1 — стан, який можна порівняти з умовами нульової гравітації — призводить до катастрофічних наслідків при формуванні кісток у мишей. Щільні їхні частини виявляються потоншеними, а губчасті (у спеціальній термінології — «трабекулярні») майже не формуються. Втім, є й гарні новини: уже сьогодні існують фармакологічні речовини, здатні активувати Piezo1 навіть за відсутності, власне, механічної стимуляції. Найперша зі створених речовин такого типу — Yoda1, названа на честь майстра Йоди з «Зоряних війн», який в одному з епізодів підняв космічний корабель X-Wing з болота без застосування фізичної сили. Наступні експерименти з подібними препаратами, натхненні, як і описане вище дослідження, проблемами життя в умовах мікрогравітації, можуть у  подальшому прислужитись і в дальніх космічних місіях, і при лікуванні ламкості кісток у посполитих землян.

Ще однією проблемою, у розв’язанні якої космічна медицина може допомогти людству, є розлади сну. Космонавти на борту МКС зазвичай сплять 4-6 годин на добу, що, скажімо, пересічному студентові у розпал сесії могло би здатися розкішшю, але взагалі це не є нормою для здорової дорослої людини — тим паче, коли ціна помилки набагато більша, ніж перескладання заліку. Снодійні пігулки є одними з найуживаніших зі 150 препаратів, які постачаються на орбіту. Почасти, звісно, це пояснюється тим, що екіпаж станції бачить схід сонця 60 разів на добу і живе, за словами фахівця ESA Нори Петерсен, «у стані постійного джет-лагу». Методами, якими дотепер медики намагаються боротися з безсонням у космонавтів, є всілякі напівміри на кшталт «сонного навчання» та навіть написання спеціального софту, який контролює денний розпорядок пілотів.

Утім, написання зручного програмного забезпечення для «сонного тайм-менеджменту» є лише паліативним рішенням. Корінь проблеми — у фізіології головного мозку, і ключ до її розв’язання варто шукати там. Цікаву пропозицію нещодавно висунули науковці NASA, і вона вже знайшла своє втілення у застосунках для мобільних пристроїв: ідеться про те, як цикл сну/бадьорості модулюється спектральними характеристиками світла, що потрапляє в очі.

Кістки піддослідних мишей, у яких ген Piezo1 був зруйнований (Piezo1Ocn/Ocn) у порівнянні з контрольними (Piezo1fl/fl). З публікації Китайського
центру досліджень і тренування тайконавтів. J Biomech. 2014 Sep
22;47(12):2983-8

Око (точніше, його робоча частина — сітківка, що виконує ту саму роль, що ПЗЗ-матриця у фотоапараті) сконструйоване еволюцією не лише для кодування інформації про форму та розмір довколишніх предметів. Річ у тім, що сприйняття світла в оці, як донедавна вважалося, здійснюється виключно клітинами-фоторецепторами — паличками й колбочками, що володіють цією здатністю завдяки наявності в них особливих білків — опсинів. Всього виділяють чотири види цих світлочутливих молекул: «чорно-білий» родопсин, наявний у паличках (від англ. rod — «палиця»), і три типи фотопсинів, які локалізуються у колбочках та максимум спектра поглинання яких припадає на зелене, синє і червоне випромінювання (загальновідомо, що розмаїття  барв і відтінків, усі ці «салатові», «чайні» та «коралові» кольори, на яких так гарно знаються жінки та в яких так губляться чоловіки, декодуються мозком зі співвідношення всього лише трьох базових кольорових сигналів). Втім, нещодавно стало відомо, що описана вище модель є неповною.

Виявилося, що, крім фоторецепторів, на світло у сітківці реагує ще один клітинний тип — так звані гангліозні клітини. Про їхнє існування було відомо задовго до початку ери космічних польотів, як і про основну їхню функцію, що полягає у формуванні довгих нервових закінчень і, зрештою, зорового нерва, який передає електричний сигнал від паличок і колбочок до церебральної кори. Так от, дослідження показали, що гангліозні клітини теж мають у своїй цитоплазмі білки-опсини, причому нового, невідомого раніше типу — т.зв. меланопсини. Вони не виконують ролі «біологічної відеокамери», натомість регулюють сон, що і пропонує використати у своєму винаході NASA.

Таке несподіване «навішування» кількох функцій на одну й ту саму структуру є звичним ділом у «живих» механізмах і рисою, якою вони разюче відрізняються від механізмів «технічних». Якщо людські інженери надають перевагу простоті, строгості й монофункціональності кожної деталі, то природа радше йде заплутаним шляхом багатозадачності й економії засобів. Якби, скажімо, Міжнародну космічну станцію проєктувала біологічна еволюція, то вакуумним туалетом можна було би пилососити, а їжа в тюбиках надавалася би як  термопаста й засіб для протирання ілюмінаторів.

Яким же чином сприйняття гангліозними клітинами світла пов’язане з невисипанням космонавтів і циркадними ритмами? Через гормональну систему: колатералі від нервових закінчень цих нейронів, окрім зорової кори V1 у церебральній корі, йдуть також у декілька ядер у стовбурі мозку, пов’язаних із секрецією гормонів мелатоніну та кортизолу. Ті, хто має проблеми з нічним спочинком, точно бачили принаймні першу з цих речовин на полицях аптек; на МКС вона також має попит. Ці два гормони — антагоністи. В земних умовах максимум секреції «сонного» мелатоніну припадає на темну частину доби між 02:00 і 03:00, у той час як виділення «бадьорого» кортизолу сягає піку вдень між 09:00 і 10:00. Отже, освітлюючи сітківку світлом із певною довжиною хвилі, можна керувати, скажімо, виділенням «нічного» мелатоніну й допомагати мозкові перемкнутися у режим спочинку. Станом натепер інженерами NASA сконструйований і випробовується прилад SSLA, який є просто твердотільною лампою змінного освітлення: в денний час пікова частина її спектра випромінювання припадає на блакитний, що відповідає максимуму поглинання меланопсину, а в нічні години SSLA перемикається на блідо-червоний колір. Уявімо офіси майбутнього (у разі, якщо експерименти з SSLA завершаться успішно), залиті «бадьорою» блакиттю, яка хоч і може здатися комусь нудною та одноманітною, але вже точно не топ-менеджерам відповідних компаній, які бачитимуть відчутний приріст продуктивності праці своїх підлеглих. Насамкінець варто зазначити, що ідея, яка спала на думку космічним медикам, використовується нині в мобільних телефонах з додатками типу Twilight або BlueLightFilter. Вночі, дбаючи про швидкий відхід до сну своїх власників, такі пристрої відсікають блакитні тони на LCD-дисплеї пристрою, пригнічуючи активацію меланопсину й стимулюючи секрецію мелатоніну.

Отже, космічній медицині ще треба пройти довгий шлях, аби побороти всі негаразди, які можуть спіткати космонавтів під час тривалого перебування на МКС, і передати чимало створених на цьому шляху винаходів і рішень земним лікарям. Бюджет NASA за 2019 рік передбачав виділення 200 млн доларів на Human Research Program (не така вже й велика сума, якщо зважити на витратність сучасної біології, що мала бути використана в основному в межах безпосередньо пов’язаних із американським космічним агентством дослідницьких інституцій). Хтозна, можливо, у прийдешні роки — з наближенням місії на Марс і запуском програм з тривалого перебування на Місяці, — ці бюджети буде збільшено, й дослідники перейдуть до сміливіших  експериментів з людським тілом, які дозволять покращити здоров’я і першопрохідців, і пересічних жителів планети.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine