Подмосковье, наверное, более остальных регионов России связано с космосом. Звёздный городок и Королёв известны всему миру. И этими городами «внеземной список» не ограничивается. К примеру, Институт медико-биологических проблем (ИМБП) РАН, расположенный не только в Москве, но и в Химкинском районе, внёс большой вклад в решение проблем, связанных с обеспечением жизнедеятельности человека в экстремальных условиях космического полёта.
На околоземных орбитах сегодня летают не только подготовленные члены экипажа, но и космические туристы. Как на их здоровье сказывается невесомость и другие непривычные условия? Какие средства профилактики нужно использовать при длительных полётах, чтобы сократить сроки реабилитации? Исчерпывающих ответов на эти вопросы нет до сих пор. Нужны всесторонние научные исследования, в том числе на биохимическом уровне. Именно с такой целью – понять влияние микрогравитации на клеточные и молекулярные процессы – несколько лет назад в институте была создана группа клеточной физиологии, возглавляемая учёным секретарём ИМБП, доктором медицинских наук профессором Людмилой Буравковой.
В организме тканевые процессы находятся как минимум под тройным контролем, который обеспечивают регуляции нервная, гормональная и местная – благодаря взаимодействию клеток между собой. Изучая клетку в культуре, можно освободиться от сложной нейрогуморальной иерархии и проанализировать, какое влияние на неё оказывают факторы космического полёта.
Вторая задача группы – это развитие клеточных технологий, которые сейчас активно применяются в биотехнологии, биоинженерии, регенеративной медицине. Задачи интересные и довольно специфичные. Трудно представить, как в условиях невесомости можно проводить сложные эксперименты с клетками. Особенно если учесть, что среди космонавтов редко встречаются учёные, тем более, биологи.
«Проблемы, действительно, есть, но они решаемы, – говорит Людмила Буравкова. – Любой космический эксперимент имеет ряд ограничений. Одно из них связано с весом и габаритами: мы не можем отправить на орбиту тяжёлые объекты. При разработке приборов борьба идёт буквально за каждый грамм. Второе ограничение касается энергопотребления: здесь также строжайшая экономия. Жёсткие «регламенты» по биобезопасности при использовании конструктивных материалов. Любой экспериментальный биологический объект должен иметь три уровня защиты. К примеру, первый уровень защиты – пробирка, второй – специальный контейнер, третий – перчаточный бокс, где проводится эксперимент. Космонавтов и атмосферу орбитальной станции максимально ограждают от возможных загрязнений».
Ну и, конечно, нужно помнить, что эксперимент выполняет космонавт, а не научный работник. Все манипуляции должны быть максимально продуманы, безопасны, выполнимы неспециалистом. Именно поэтому любой эксперимент перед проведением его в космосе изучают эксперты координационного научно-технического совета при Роскосмосе. Затем, если проект оценят как значимый, направляется заявка в РКК «Энергия», где уже анализируется вопрос принципиальной технической реализуемости эксперимента. Специалисты, помимо прочего, обязательно выясняют вес укладки, содержащей всё необходимое для проведения исследований, какие материалы будут использоваться, выполнение санитарно-гигиенических норм. Составляются подробные схемы и инструкции, проводятся тренировки космонавтов.
Какой же теме были посвящены клеточные эксперименты в невесомости? Если быть точным, то в условиях околоземной орбиты на биологические объекты действует микрогравитация: ускорение свободного падения составляет десять в минус четвертой степени g.
В организме среди клеток иммунной системы есть особая популяция, называемая довольно грозно и забавно одновременно: естественные киллеры. Их немного, около 5%. Они играют роль своеобразной стражи. Допустим, попал в клетку вирус – киллеры тут же убивают такую структуру. Распознают и обезвреживают они также опухолевые клетки, вообще что-либо чужеродное. А вот остальным субпопуляциям (скажем, Т- или В-лимфоцитам) нужно время, чтобы распознать нежелательного «гостя» и пройти обучение в тимусе. Киллеры же действуют, «не раздумывая». Почему решили начать именно с них? Дело в том, что у космонавтов после полётов обнаруживалось снижение активности этих клеток, что может привести к ослаблению иммунитета. Важно было понять, может ли это вызвать микрогравитация. Актуальность вопроса возрастает в связи с увеличением числа членов экипажа и длительности полётов. Да и требования к состоянию здоровья самих космонавтов, а тем более космических туристов, сейчас несколько мягче, чем раньше.
Как вели себя киллеры «наверху»? Неужели невесомость способна подавлять их? И вообще, как проводились эксперименты?
«Нам нужно было набрать статистику, – объясняет Буравкова. – Поэтому эксперимент «Межклеточное взаимодействие» мы проводили в течение трёх лет. Иммунные клетки здоровых доноров и линия опухолевых клеток (К-562), меченных радиоактивной тритиевой меткой, отправлялись в космос шесть раз. На космодроме Байконур мы снаряжали специальную укладку. Необходимые процедуры на МКС космонавты проводили в перчаточном боксе, объединяя эти клетки и инкубируя их в термостате. Эксперимент продолжался в течение 48 часов».
Чем отличались между собой шесть укладок? Это могли быть клетки от разных доноров. Некоторые из них активировали определёнными интерлейкинами. Естественно, в каждом полёте был свой контроль. Что любопытно, в космос отправляли укладку весом примерно 700 граммов, а на Землю возвращалась совсем небольшая её часть – шесть фильтров и шесть пробирок. Всё остальное, как бытовой мусор, помещалось в специальный контейнер, который сгорал в плотных слоях атмосферы. То, что на Земле проделывается быстро и без особых сложностей, в космосе представляет определённую проблему.
Теперь о самом интересном: какие же результаты были получены? Учёные ИМБП опасались, что невесомость может оказывать негативное действие на естественные киллеры. Но к счастью, в космосе эти иммунные клетки даже активизировались. В зависимости от донора активация составила от 10 до 120%, что для клеточных экспериментов вполне нормально. Вместе с иммунологами сотрудники группы клеточной физиологии сделали вывод, что причину их ослабления у космонавтов всё же стоит искать в другом. Негативную роль могут сыграть стрессовые ситуации, перегрузки во время взлёта и посадки, напряжённая трудовая деятельность.
Опыты с естественными киллерами – это только начало. На очереди – более тонкие и сложные опыты. Сейчас идёт подготовка экспериментов со стволовыми клетками, которые выделяют из костного мозга, а также из жировой ткани. Они помогают тканям самообновляться. Именно благодаря этой способности они используются в клеточных технологиях и регенеративной медицине, в частности, для лечения переломов костной ткани, ожогов и даже инфарктов, инсультов.
Чем ещё интересны стволовые клетки? В нашем организме их крайне мало, и они находятся в «подростковом» периоде. Используя опредёленные стимулы, можно направить их развитие по остеогенному пути, получать остеобласты – основу регенерации костной ткани. При действии другого «коктейля» они начнут создавать хрящевую ткань. То есть, эти клетки способны изменяться в зависимости от микроокружения. Задача учёных – посмотреть, как на эти клетки воздействуют факторы космического полета. Возможно, это позволит понять механизмы вымывания кальция из костей в условиях отсутствия опорной нагрузки. Это будут более сложные эксперименты с использованием специальных кассет, позволяющих осуществлять замену среды в условиях микрогравитации и фиксацию клеток для последующего изучения экспрессии их генов. Наземные модельные эксперименты, которые поддержаны грантом РФФИ, показали гравичувствительность стволовых клеток взрослого организма. Важную роль в этих процессах играет актиновый цитоскелет – главный структурный компонент клетки, поддерживающий её форму и обеспечивающий подвижность. Предстоит разобраться в сигнальных механизмах торможения остеодифференцировки – трансформации клеток из состояния «неопределённости» к выполнению определённых функций, например, костной ткани. Сейчас команда молодых исследователей разрабатывает схему нового космического эксперимента. Через год планируется проведение испытаний в невесомости.