Космический полет и его наземная модель: как отличаются метаболические реакции участников

Действие на организм комплекса факторов космического полета сопровождается развитием изменений обмена веществ, характеризующихся сниженной интенсивностью метаболических реакций из-за снятия гравитационных нагрузок на скелетную мускулатуру, перераспределения жидких сред организма, развития гиподинамии [1]. Наблюдаются изменения водно-электролитного гомеостаза, изменяется нейрогуморальная регуляция метаболических реакций [2], [3]. Выраженность метаболических сдвигов во многом зависит от продолжительности орбитальной фазы полета [4]. Возврат к земным условиям обусловливает формирование аллостатических реакций, направленных на компенсацию неблагоприятных эффектов космического полета, затрудняющих реадаптацию.

В настоящее время степень развития медицинского приборостроения не позволяет провести всестороннее биохимическое обследование космонавтов непосредственно на борту в ходе полета, и исследования проводятся в наземных модельных экспериментах. Модель с изоляцией в гермообъеме воспроизводит действие на организм человека практически всех его факторов за исключением невесомости [5]. Несмотря на это, неоднократно показано, что факторы  гермообъема – гиподинамия,  измененные параметры внешней среды (газовый состав,  влажность,  давление, температура), особенности питания, графика труда и отдыха и т.д.  могут вызывать появление признаков некоторых метаболических сдвигов характерных для длительного космического полета [6]. Показано также, что даже кратковременное 8-суточное [7] и 17-суточное [8]  нахождение в условиях гермообъема приводит  к появлению метаболических признаков гиподинамии. Кроме того, в динамике изоляции у обследуемых обнаружено повышение в крови маркеров стресса [9].

Ранее, академиком О.Г. Газенко была выдвинута гипотеза, что длительное пребывание человека в условиях космического полета сопровождается формированием нового,  измененного  уровня гомеостаза, максимально соответствующего  условиям среды обитания [10]. При этом формируется соответственно измененный уровень метаболизма, затрагивающий самые различные звенья биохимических реакций. Гипотеза была подтверждена в сверхдлительных полетах, однако и в эксперименте с длительной изоляцией в гермообъеме  обнаружены метаболические признаки долговременной адаптации к его условиям [11].

Таким образом, представляет интерес исследование, непосредственно сопоставляющее характеристики метаболических реакций космонавтов  и испытателей по завершении острой фазы реадаптации после реальных и моделированных космических полетов одинаковой продолжительности.

В исследовании участвовали трое космонавтов, совершивших полеты продолжительностью 125 и 115 суток, а также космонавт и двое участников космических полетов, продолжительность которых составила 12 суток. В рамках международного проекта SIRIUS были обследованы трое испытателей-добровольцев мужского пола, участвовавших в эксперименте со 120-суточной изоляцией и трое – с продолжительностью изоляции 17 суток.

В длительных полетах и эксперименте со 120-суточной изоляцией в гермообъеме и космонавты, и испытатели выполняли комплекс профилактических мероприятий с физическими нагрузками, сходными по продолжительности и интенсивности.

Кровь для биохимических исследований отбирали утром натощак  за 45-30 суток до старта космических экспедиций, в послеполетном периоде – на 7 сутки после завершения длительных полетов и на 1 сутки – после коротких. В экспериментах с изоляцией в гермообъеме – за 28 суток до начала 120-суточной изоляции и на 7 сутки после ее завершения; за 7 суток до начала 17-суточной изоляции и на 1 сутки периода последействия.

В сыворотке и плазме крови при длительных полетах и в эксперименте со 120-суточной изоляцией определяли активность аспартатаминотрансферазы, аланинаминотрансферазы, гамма-глутамилтрансферазы (ГГТ), холинэстеразы,  глутаматдегидрогеназы (ГЛДГ), щелочной фосфатазы, α-амилазы и ее панкреатического изофермента, креатинфосфокиназы (КФК) и ее сердечного изофермента КФК-МВ, лактатдегидрогеназы (ЛДГ), α- гидроксибутиратдегидрогеназы (ГБДГ), триацилглицериновой липазы (липаза) и ее панкреатического изофермента, кислой фосфатазы  и ее простатического изофермента, а также концентрацию общего белка, альбумина,  глюкозы,  креатинина, мочевины, мочевой кислоты, цистатина С, высокочувствительного С-реактивного белка (СРБвч), холестерина, холестерина  липопротеидов высокой плотности (ЛПВП), неэстерифицированных (свободных) жирных кислот (НЭЖК), триглицеридов, фосфолипидов, аполипопротеинов А1(АпоА1)  и В (АпоВ), железа, кальция, магния, неорганического фосфора (фосфор), хлоридов, общего и прямого билирубина. Активность мышечного изофермента креатинфосфокиназы КФК-ММ рассчитывали как разность между активностями  КФК и КФК-МВ, содержание холестерина липопротеидов низкой плотности (ЛПНП) вычисляли по формуле Фридвальда [12], скорость клубочковой фильтрации рассчитывали по формуле Хоука через концентрацию в крови цистатина С [13]. Уровень холестерина липопротеидов очень низкой плотности рассчитывали как частное от концентрации триглицеридов/2,2. Рассчитывали также отношения Холестерин ЛПВП/Холестерин ЛПНП, АпоВ/АпоА1 и величину индекса атерогенности (ИА).

Исследования в коротких полетах и при 17-суточной изоляции проводились по сокращенной программе. Не исследовались величины следующих показателей: СРБвч, НЭЖК, ФЛ, АпоА1, АпоВ и их расчетные производные.

Для анализа использовали стандартные коммерческие наборы производства фирм  DiaSys(ФРГ), Randox(Великобритания) и «Эко-сервис», РФ. Измерения проводили на биохимическом автоматическом анализаторе TargaBT3000 фирмы BioteknikaInstruments (Италия).

Статистическую обработку данных  проводили методами вариационной статистики с применением пакета прикладных программ  StatisticaforWindows, KernelRelease5.5 A  фирмы StatSoft, Inc., США.  Достоверность различий между средними арифметическими в группах вычисляли с помощью t- критерия Стъюдента, принимая  выявленные различия значимыми при  р<0,05.

Прежде всего, следует отметить, что в связи с малой численностью обследованных групп и с широкими индивидуальными отличиями в значениях определяемых показателей, в большинстве случаев различия с фоновыми величинами являются недостоверными и о них можно косвенно судить по тенденциям, на которые указывают значения средних величин.

У космонавтов  после длительных полетов  отмечалась тенденция к полуторократному увеличению активности ГГТ и 30%-ному снижению активности ГЛДГ по сравнению с фоновыми уровнями (Рисунок 1). В первом случае это связано с реакцией печени на обратное прераспределение жидких сред организма (параллельно наблюдалась тенденция к снижению уровня хлоридов и достоверно повышалась концентрация фосфора (Рисунок 2), а во втором является отсроченным отражением сниженияинтенсивности обмена веществ в организме (ГЛДГ является митохондриальным ферментом гепатоцитов [14])). Параллельно примерно на 20% наблюдалась тенденция к снижению активности панкреатической амилазы и на 30% – липазы, что связано со снижением функции поджелудочной железы при длительном нахождении в невесомости.

Рисунок 1 - Активность ферментов органов брюшной полости:

* - различие с фоном; ! - значение показателя выходит за границу референтного диапазона

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.88.1

Рисунок 2 - Содержание электролитов, микро- и макроэлементов в крови:

* - различие с фоном; ! - значение показателя выходит за границу референтного диапазона

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.88.2

Наблюдаемая тенденция к 40%-ному уменьшению уровня билирубина в крови космонавтов(Рис. 3)может быть связана со снижением числа эритроцитов и изменению соотношения их форм, что часто наблюдается в послеполетном периоде [15].

Рисунок 3 - Содержание метаболитов в крови:

* - различие с фоном; ! - значение показателя выходит за границу референтного диапазона

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.88.3

У испытателей после завершения 120-суточной изоляции в гермообъеме наблюдалась обратная реакция. Отмечалась тенденция к повышению активности панкреатической амилазы и липазы примерно на 20 и 80% соответственно. Это может быть связано как с реакцией поджелудочной железы на интенсивные физические нагрузки, так и с действием алиментарного фактора. Уровень билирубина оставался неизменным.

У космонавтов наблюдалась тенденция к понижению активности КФК ММ на  22% в послеполетном периоде, что является отражением разгрузки скелетной мускулатуры, в первую очередь группы антигравитационных мышц, в условиях микрогравитации (Рисунок 4).

Рисунок 4 - Активность ферментов энергетического обмена в крови:

* - различие с фоном; ! - значение показателя выходит за границу референтного диапазона

DOI:10.23670/IRJ.2022.125.88.4

Это же подтверждается тенденцией к снижению более чем на треть уровня мочевины (Рис. 3). У испытателей наблюдалась противоположная картина. Активность КФК ММ повышалась, в 1,8  раза, уровень мочевины возрос почти вдвое. Содержание железа снизилось, уровень кальция достоверно понизился (Рис. 2), что характерно для последствий интенсивной физической работы [16]. С учетом отсутствия невесомости, обнаруженный феномен можно объяснить суммированием гравитационных и профилактических физических нагрузок на скелетную мускулатуру. В случае космонавтов можно предположить, что отрицательный эффект воздействия невесомости на мышцы превосходил результат профилактических  тренировок.

Развитие стресса реадаптации к земным условиям сопровождается напряжением систем энергетического метаболизма. У космонавтов наблюдалась тенденция к повышению активности ЛДГ, основного фермента энергообмена, в полтора раза, активность ее сердечного изофермента гидроксибутиратдегидрогеназы (ЛДГ1) – на 40%(Рис. 4). При этом содержание в крови триглицеридов показало тенденцию к увеличению в 1,7 раза, что может быть связано с активацией липолиза как резервного пути  энергообмена (Рис. 3). У испытателей таких тенденций не выявлено за исключением 20%-ного повышения активности ГБДГ, вероятно, как последствие действия регулярных физических тренировок большой интенсивности.

После кратковременных полетов у членов экипажей наблюдалось достоверное снижение активности ГГТ на 40% относительно фонового уровня, чего не было отмечено у испытателей. Данное изменение можно объяснить индивидуальной вариацией показателя внутри маленькой выборки обследуемых при широком референтном диапазоне исследуемого показателя. При кратковременном нахождении как в невесомости, так и в условиях изоляции, происходит изменение функции органов брюшной полости. В случае с реальными полетами наблюдается тенденция к 30%-ному снижению активности панкреатической амилазы, после изоляции – общей липазы на такую же величину (Рис. 1). Здесь могут быть задействованы не только поджелудочная железа, но также кишечник и почки [14]. В частности, обращает на себя внимание значимое повышение концентрации хлоридов, являющееся признаком дегидратации (Рис. 2). Снижение интенсивности обмена веществ, преобладание процессов диссимиляции, характерное для гипокинезии и гиподинамии, выразилось в тенденции к повышению содержания в крови членов экипажей и испытателей мочевой кислоты как метаболита пуринового обмена, снижении активности мышечного фермента КФК ММ (Рис. 3 и 4).

Стресс реадаптации после полета и по завершении экспериментального воздействия выразился увеличением в крови содержания триглицеридов, почти троекратным у  членов космических экипажей и полуторократным у испытателей. После полетов наблюдалось так же достоверное повышение неорганического фосфора, являющегося метаболитом утилизации макроэргов.

Значения исследованных биохимических показателей, не упомянутых в разделе «Результаты и обсуждение» не отличались значимо от фоновых уровней и не показывали каких-либо определенных тенденций к изменению.

При одинаковой продолжительности реального и моделируемого воздействий длительного космического полета и сходной интенсивности профилактических мероприятий, метаболические реакции космонавтов по завершении острой фазы реадаптации  характеризуются последствиями длительного нахождения в невесомости: снижением активности мышечных ферментов и метаболитов азотистого обмена, обратного перераспределения жидких сред организма и электролитов, активацией ферментов энергообмена и процессов липолиза в ответ на развитие стресса реадаптации к земным условиям. У испытателей за счет суммирования действия на скелетную мускулатуру гравитационных и профилактических физических нагрузок  наблюдаются метаболические признаки активации скелетной мускулатуры  с изменениями параметров белкового, азотистого и электролитного обмена, задействованных в мышечной деятельности, однако активацией ферментов энергетического обмена это не сопровождалось.

После кратковременных полетов и изоляции в гермообъеме сходной продолжительности  у участников космических полетов и испытателей наблюдались метаболические реакции одинаковой направленности отражающие наличие функциональных изменений органов брюшной полости, снижение интенсивности процессов обмена веществ с увеличением в крови содержания метаболитов пуринового и энергетического обмена, Стресс реадаптации как после полетов, так и по завершении экспериментального воздействия, характеризовался активацией липолиза и повышением содержания в крови метаболитов утилизации макроэргов. Влияние невесомости реализовалось в большей выраженности метаболических изменений.