ВЛИЯНИЕ ПЕРЕГРУЗОК МАЛОЙ СИЛЫ НА ПОКАЗАТЕЛИ ЛИПИДНОГО ОБМЕНА У ИСПЫТАТЕЛЕЙ

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕГРУЗОК МАЛОЙ СИЛЫ НА ПОКАЗАТЕЛИ ЛИПИДНОГО ОБМЕНА У ИСПЫТАТЕЛЕЙ

Научная статья

Маркина Е.А.¹, Журавлева О.А.², Кузичкин Д.С.³, Поляков А.В.⁴, Вострикова Л.В.⁵, Заболотская И.В.⁶, Маркин А.А.^7, *, Логинов В.И.⁸

³ ORCID: 0000-0003-2252-6380;

^1-8 Государственный научный центр Российской Федерации – Институт медико-биологических проблем РАН, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (andre_markine[at]mail.ru)

Аннотация

У космонавтов, участников длительных экспедиций, в ходе полетов наблюдаются прогрессивные сдвиги липидного, в том числе холестеринового, обмена, что повышает риск развития сердечно-сосудистых заболеваний в отдаленные сроки после завершения миссий. Перспективным средством профилактики может стать создание на борту космических кораблей и станций искусственной силы тяжести, генерируемой с помощью центрифуги короткого радиуса (ЦКР). В связи с этим, большой интерес представляет исследование липидного обмена при воздействии на человека перегрузок малой силы, создаваемых с помощью ЦКР. В эксперименте участвовали девять мужчин от 24 до 41 года, прошедших отбор и подписавших Информированное согласие. Использовали 3 режима вращения на ЦКР, с направлением перегрузки голова-таз (+G_z):1-й – 2,1g, 30 мин, 2-й ‒ 2,4 g, 30 мин, 3-й ‒ 2,9 g, 15 мин. Каждый обследуемый участвовал во всех режимах вращения. Интервал между первым и вторым вращением был 2 суток, между вторым и третьим – 3 суток. Венозную кровь отбирали за 7 суток до первого воздействия и в течение 10 минут после каждого вращения. В сыворотке крови определяли концентрацию холестерина (ХС), ХС липопротеидов высокой плотности, аполипопротеинов А1 и В (АпоА1 и АпоВ), триглицеридов. Рассчитывали содержание ХС липопротеидов низкой и очень низкой плотности, индекс атерогенности и величину индекса АпоВ/АпоА1.

При перегрузке в 2,1g не наблюдалось значимых изменений определяемых параметров. С увеличением силы перегрузок выше 2,1g показатели липидного обмена отражали сначала развитие стресс-реакции, сопровождающейся активацией липолитических процессов (2,4g), а затем формирование начальных сдвигов холестеринового обмена атерогенной направленности на фоне липолиза (2,9g). Все обнаруженные изменения происходили внутри диапазона физиологической нормы и характеризовали протекание адаптивных процессов.

Ключевые слова: Липидный обмен, холестерин, перегрузки, центрифуга короткого радиуса.

THE EFFECT OF LOW ACCELERATION ON THE PARAMETERS OF LIPID METABOLISM IN TESTERS

Research article

Markina E.A.¹, Zhuravleva O.A.², Kuzichkin D.S.³, Polyakov A.V.⁴, Vostrikova L.V.⁵, Zabolotskaya I.V.⁶, Markin A.A.^7, *, Loginov V.I.⁸

³ ORCID: 0000-0003-2252-6380;

^1-8 State Scientific Center of the Russian Federation — Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

* Corresponding author (andre_markine[at]mail.ru)

Abstract

Astronauts, participants of long-term expeditions, have progressive changes in lipid and cholesterol metabolism during flights, which increases the risk of developing cardiovascular diseases long after the completion of missions. A promising means of prevention can be the creation of artificial gravity generated by a short radius centrifuge (SRC) on board of spacecraft and space stations. In this regard, the study of lipid metabolism under the influence of low-force accelerations created with the help of SRC presents great interest.  The experiment involved nine men in the age range from 24 to 41, who were selected and signed an informed consent. The study used 3 rotation modes on the SRC with the direction of the head-to-pelvis acceleration (+G_z):1st – 2.1 g, 30 min, 2nd-2.4 g, 30 min, 3rd-2.9 g, 15 min. Each subject participated in all rotation modes. The interval between the first and second rotation amounted to 2 days, between the second and third — 3 days. Venous blood collection was conducted 7 days before the first exposure and within 10 minutes after each rotation. The study measured the concentration of cholesterol (CH), high-density lipoprotein CH, apolipoproteins A1 and B (ApoA1 and ApoV), and triglycerides in the blood serum. The study calculated the content of low-and very-low-density lipoprotein cholesterol, the atherogenicity index, and the ApoV/ApoA1 index.

At the 2.1 g acceleration, no significant changes in the determined parameters were observed. With an increase in the acceleration strength above 2.1 g, the lipid metabolism indicators first reflected the development of a stress reaction accompanied by the activation of lipolytic processes (2.4 g), then the formation of initial shifts in cholesterol metabolism of an atherogenic orientation in presence of lipolysis (2.9 g). All the detected changes occurred within the range of the physiological norm and characterized the course of adaptive processes.

Keywords: Lipid metabolism, cholesterol, acceleration, short radius centrifuge.

Введение

Многочисленными исследованиями, проведенными как в условиях реальных космических полетов, так и в наземных аналоговых экспериментах, установлено развитие так называемого “гравитационного мышечного синдрома”, включающего в себя изменения во всех компонентах двигательной системы человека, но наиболее резко выраженные в снижении тонической активности “антигравитационной мускулатуры” – мышц-экстензоров, выполняющей центральную функцию в поддержании позы. Ведущую роль в формировании и развитии данного синдрома играет фактор безопорности [1, С. 64]. На этом фоне при длительном нахождении в невесомости развивается гиподинамия [2, С. 328], сопровождающаяся снижением потребления кислорода [3, С. 61], уменьшением его напряжения в тканях и артериализованной крови [4, С. 7], что сопровождается ингибированием процессов энергосинтеза и снижением энергопотребления [5, С. 968]. Вследствие минимализации функций организма [6, С. 4] происходит снижение интенсивности реакций биологического окисления [7, С. 242]. В наземных модельных экспериментах, имитирующих гравитационную разгрузку, выявлено снижение функции печени [8, C. 20]. Обнаруженные изменения являются предпосылкой для активации синтеза холестерина и изменения липопротеидного состава его фракций.

Во время длительных полетов на орбитальной станции “Мир” наблюдалось прогрессивное повышение содержания в крови космонавтов холестерина с увеличением продолжительности полета. Уровень холестерина липопротеидов высокой плотности (ЛПВП) снижался [9, С. 252]. Биохимические исследования на борту Международной космической станции выявили повышение уровня холестерина в крови некоторых космонавтов, вдвое превышающее верхнюю границу референтного диапазона [10, С. 231]. После длительных полетов у членов экипажей повышалось содержание холестерина, триглицеридов, холестерина липопротеидов низкой и очень низкой плотности, увеличивались индекс атерогенности и отношение холестерин/фосфолипиды [2, С. 332].

Необходимость изучения особенностей холестеринового обмена у членов космических экспедиций обусловлена высокой степенью риска атерогенеза и развития неблагоприятных изменений в интиме сосудов, что в свою очередь повышает риск развития сердечно-сосудистых заболеваний.

 Перспективным профилактическим средством нового типа может стать создание на борту искусственной силы тяжести с помощью центрифуги короткого радиуса (ЦКР) [11, С. 11], создающей нагрузку, эквивалентную гравитационной, или несколько повышенную, на конечности и антигравитационную мускулатуру.

Цель работы

Оценка в наземных условиях эффектов влияния профилактических перегрузок различной силы, генерируемых с помощью ЦКР, на состояние липидного обмена у испытателей-добровольцев.

Материалы и методы

В эксперименте участвовало девять испытателей-добровольцев мужского пола в возрасте от 24 до 41 года, прошедших отбор и подписавших Информированное согласие. Протокол эксперимента утвержден комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ ИМБП РАН.

Использовали 3 режима вращения на ЦКР, с направлением перегрузки голова-таз (+G_z): 1-й – 2,1g, 30 мин, 2-й ‒ 2,4g, 30 мин, 3-й ‒ 2,9 g, 15 мин. Каждый обследуемый участвовал во всех режимах вращения. Интервал между первым и вторым вращением составлял 2 суток, между вторым и третьим – 3 суток.

Венозную кровь у испытателей отбирали натощак, за неделю до начала эксперимента и в течение 10 минут после завершения каждого вращения. В сыворотке крови определяли уровень общего холестерина, холестерина липопротеидов высокой плотности (ЛПВП), аполипопротеинов А1 и В (АпоА1 и АпоВ соответственно), триглицеридов. Концентрацию холестерина липопротеидов низкой плотности (ЛПНП), холестерина липопротеидов очень низкой плотности (ЛПОНП), величины индекса атерогенности (ИА), отношения АпоВ/АпоА1 рассчитывали по общепринятым формулам [12, С. 514-515]. Измерения проводили на биохимическом анализаторе “Targa BT 3000” фирмы Biotecnica Instruments, Италия, используя наборы реагентов фирмы “DiaSys”, Германия. Статистическую обработку полученных данных проводили методами вариационной статистики, используя пакет прикладных программ Statistica for Windows (США) с помощью t-критерия Стьюдента.

Результаты и обсуждение

При величине перегрузок 2,1g не наблюдалось достоверных изменений по всем исследуемым показателям (Рис. 1 и 2).

 

Рис. 1 – Показатели холестеринового обмена у испытателей в эксперименте с вращением на центрифуге короткого радиуса

 

При перегрузке в 2,4g отмечалось достоверное повышение содержания в крови холестерина липопротеидов очень низкой плотности на 86% относительно фонового уровня (Рис. 1). Учитывая, что основным компонентом холестерина ЛПОНП являются триглицериды, можно предположить повышение их концентрации в крови, причиной чего может являться развитие гипергравитационного стресса. Субстраты липолиза являются, в некоторой степени, жировыми аналогами гликолиза и гликогенолиза. Триглицериды аналогичны гликогену, а неэстерифицированные (свободные) жирные кислоты (НЭЖК), как продукт расщепления триглицеридов, являются своеобразным липидным аналогом глюкозы, используемым для синтеза АТФ в реакциях бета-окисления [13, С. 171].

Перегрузка величиной 2,9g характеризовалась сдвигами липидного обмена атерогенной направленности. Достоверно, на 14% снизился уровень холестерина ЛПВП. На 25% увеличилось содержание холестерина липопротеидов низкой плотности. Величина индекса атерогенности повысилась на 41% по отношению к фоновым значениям. Концентрация аполипопротеина А, влияющего на синтез и распределение липопротеидных фракций, понизилась на 8% (Рис. 2). Несмотря на отсутствие достоверных различий с фоновым уровнем по концентрации холестерина ЛПОНП (прямой коррелят уровня триглицеридов), среднее значение этого показателя в выборке увеличилось почти в полтора раза. Соответственно, содержание триглицеридов, как источника НЭЖК, повысилось в той же степени. Известно, что увеличение содержания НЭЖК в печени приводит к нарушению метаболизма холестерина, результатом чего является образование гиператерогенных плотных частиц ЛПНП-холестерина при резком снижении уровня холестерина ЛПВП [14, С. 20].

 

Рис. 2 – Содержание аполипопротеинов в крови испытателей в эксперименте с вращением на центрифуге короткого радиуса

  Заключение

С увеличением силы перегрузок выше 2,1g показатели липидного обмена отражают сначала развитие стресс-реакции, сопровождающейся активацией липолитических процессов, а затем формирование начальных сдвигов холестеринового обмена атерогенной направленности на фоне липолиза. Все обнаруженные изменения носят донозологический характер, происходят внутри диапазона физиологической нормы и характеризуют протекание адаптивных процессов.

Финансирование Работа финансировалась в рамках Государственного задания № 0130-2014-0006 и темы РАН 65.1 (№ Государственной регистрации 01201370667).	Funding This work was funded under State Assignment No. 0130-2014-0006 and the RAS theme 65.1 (State Registration No. 01201370667).
Благодарности Коллектив авторов сердечно благодарит зав. лабораторией Физиологии ускорений и искусственной силы тяжести ГНЦ РФ ИМБП РАН М.И. Колотеву за образцовую организацию эксперимента.	Acknowledgement The team of authors sincerely thanks the head of Laboratory of Physiology of Accelerations and Artificial Gravity of the State Scientific Center of the Russian Federation, M.I. Koloteva for the excellent organization of the experiment.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Рукавишников И.В. Влияние гравитационной разгрузки на тонус мышц спины / Рукавишников И.В., Амирова Л.Е., Кукоба Т.Б. и др. // Физиология человека. – 2017. – Т. 43. – № 3. – С. 64-73.
2. Ушаков А.С. Обмен веществ / Ушаков А.С., Попова И.А. // Человек в космическом полете. – Москва: Наука. – 1997. – Т. 3. – Кн. 1. – Гл. 8. – С. 328-356.
3. Hoffmann U. Influence of Weightlessness on Aerobic Capacity, Cardiac Output and Oxygen Uptake Kinetics / Hoffmann U., Moore A.D., Koschate J. et al //Exercise in Space. A Holistic Approach for the Benefit of Human Health on Earth. Heidelberg: Springer. – 2016. – P. – 39-62.
4. Баранов В.М. Энергетический обмен человека в процессе 90-суточного пребывания в гермокамере / Баранов В.М. // Актуальные проблемы космической биологии и медицины. – М: МЗ СССР, ИМБП. – 1977. – Т.2. – С. 6-7.
5. Ade C.J. Decreases in Maximal Oxygen Uptake Following Long-duration Spaceflight: Role of Convective and Diffusive O2 Transport Mechanisms / Ade C.J., Broxterman R.M., Moore A.D., et al.//Journal of Applied Physiology. – 2017. – Vol. – 122. – No 4. – P. – 968-975.
6. Григорьев А.И. Минимализация функции регуляторных систем и обмена веществ в невесомости/Григорьев А.И., Попова И.А., Капланский А.С.// Авиакосмическая и экологическая медицина. – 1993. Т. – 27. – № 5-6. С. – 3-12.
7. Popova I.A. Metabolism in cosmonauts: results of blood biochemistry studies in crewmembers of 7 prime missions to the orbital “MIR” station/ Popova I.A., Vetrova E.G., Zaitseva L.B. et al. //Physiologist. – 1992. – Vol. 35. – No 1. – Suppl. P. S240-242.
8. Соловьева А.А. Функциональная активность печени в условиях иммерсии и влияние на нее средств профилактики/ Соловьева А.А., Седова Е.А., Томиловская Е.С. и др. //Авиакосмическая и экологическая медицина. – 2014. – Т. 48. – № 2. С. – 16-23.
9. Markin А. The Dynamics of Blood Biochemical Parameters in Cosmonauts During Long-term Space Flights/ Markin А., Strogonova L., O. Balashov, et al//Acta Astronautica. – 1998. – Vol.42. – Nos 1-8. – P.247-253.
10. Ничипорук И.А. Исследование биохимических показателей в ходе длительных космических полетов на Международной космической станции/ Ничипорук И.А., Моруков Б.В.//Международная космическая станция. Российский сегмент. Космическая биология и медицина. – Воронеж: Научная книга. – 2011. – Т. 2. – С. 228-234.
11. Орлов О. И. Центрифуга короткого радиуса как новое средство профилактики неблагоприятных эффектов невесомости и перспективные планы по разработке проблемы искусственной силы тяжести применительно к межпланетным полетам / О. И. Орлов, М. И. Колотева // Авиакосмическая и экологическая медицина. – 2017. – Т. 51. – №7. – С. 11–18.
12. Камышников В.С. Справочник по клинико-биохимическим исследованиям и лабораторной диагностике/ Камышников В.С. – Москва: МЕД пресс-информ. – 2009. – 896 с.
13. Кишкун А.А. Руководство по лабораторным методам диагностики/Кишкун А.А. – Москва: ГЭОТАР-Медиа. – 2014. – 760 с.
14. Вельков В.В. Предикторы. Новые возможности для диагностики потенциально фатальных патологий и оценки рисков их осложнений / Вельков В.В. – Москва: Lomonosoff Print. – 2010. – 34 c.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Rukavishnikov I.V. Vliyanie gravitatsionnoi razgruzki na tonus myshts spiny [The effect of gravitational unloading on the tone of the back muscles] / Rukavishnikov, I. V., Amirova L. E., Kukoba T. B. et al. // Fiziologiya cheloveka [Human Physiology]. – 2017. – Vol. 43. – No 3. – P. 64-73. [in Russian]
2. Ushakov A.S. Obmen veshchestv [Metabolism] / Ushakov A.S., Popova I.A. // Chelovek v kosmicheskom polete [Man in space flight]. – Moscow: Nauka. – 1997. – Vol. 3. – Book. 1. – Chapt. 8. – P. 328-356. [in Russian]
3. Hoffmann U. Influence of Weightlessness on Aerobic Capacity, Cardiac Output and Oxygen Uptake Kinetics / Hoffmann U., Moore A.D., Koschate J. et al //Exercise in Space. A Holistic Approach for the Benefit of Human Health on Earth. Heidelberg: Springer. – 2016. – P. – 39-62.
4. Baranov V.M. Energeticheskii obmen cheloveka v protsesse 90-sutochnogo prebyvaniya v germokamere [Human energy metabolism during a 90-day stay in a hermetic chamber]/Baranov V.M.//Aktual'nye problemy kosmicheskoi biologii I meditsiny [Actual problems of space biology and medicine]. – М: Ministry of Public Healts of USSR, IBMP. – 1977. – Vol.2. – P. 6-7. [in Russian]
5. Ade C.J. Decreases in Maximal Oxygen Uptake Following Long-duration Spaceflight: Role of Convective and Diffusive O2 Transport Mechanisms/ Ade C.J., Broxterman R.M., Moore A.D., et al. //Journal of Applied Physiology. – 2017. – Vol. – 122. – No 4. – P. – 968-975.
6. Grigor'ev A.I. Minimalizacija funkcii reguljatornyh sistem i obmena veshhestv v nevesomosti [Minimization of the function of regulatory systems and metabolism in zero gravity] / Grigor'ev A.I., Popova I.A., Kaplanskij A.S. // Aviakosmicheskaja i jekologicheskaja medicina [Aerospace and environmental medicine]. – 1993. – Vol. – 27. – No 5-6. P. – 3-12. [in Russian]
7. Popova I.A. Metabolism in cosmonauts: results of blood biochemistry studies in crewmembers of 7 prime missions to the orbital “MIR” station/ Popova I.A., Vetrova E.G., Zaitseva L.B. et al. //Physiologist. – 1992. – Vol. 35. – No 1. – Suppl. P. S240-242. [in Russian]
8. Solov'eva A.A. Funkcional'naja aktivnost' pecheni v uslovijah immersii i vlijanie na nee sredstv profilaktiki [Functional activity of the liver in the conditions of immersion and the effect of preventive measures on it] / Solov'eva A.A., Sedova E.A., Tomilovskaja E.S. et al.//Aviakosmicheskaja i jekologicheskaja medicina [Aerospace and environmental medicine]. – 2014. – Vol. 48. – No 2. – P. – 16-23. [in Russian]
9. Markin А. The Dynamics of Blood Biochemical Parameters in Cosmonauts During Long-term Space Flights/ Markin А., Strogonova L., O. Balashov, et al//Acta Astronautica. – 1998. – Vol.42. – Nos 1-8. – P.247-253. [in Russian]
10. Nichiporuk I.A. Issledovanie biohimicheskih pokazatelej v hode dlitel'nyh kosmicheskih poletov na Mezhdunarodnoj kosmicheskoj stancii [Study of biochemical parameters during long-term space flights on the International Space Station]/ Nichiporuk I.A., Morukov B.V.//Mezhdunarodnaja kosmicheskaja stancija. Rossijskij segment. Kosmicheskaja biologija i medicina [International Space Station. The Russian segment. Space Biology and Medicine]. – Voronezh: Nauchnaja kniga. – 2011. – Vol. 2. – P. 228-234. [in Russian]
11. Orlov O. I. Centrifuga korotkogo radiusa kak novoe sredstvo profilaktiki neblagoprijatnyh jeffektov nevesomosti i perspektivnye plany po razrabotke problemy iskusstvennoj sily tjazhesti primenitel'no k mezhplanetnym poletam [The short-radius centrifuge as a new means of preventing the adverse effects of weightlessness and long-term plans for the development of the problem of artificial gravity in relation to interplanetary flights] / O. I. Orlov, M. I. Koloteva // Aviakosmicheskaja i jekologicheskaja medicina [Aerospace and environmental medicine]. – 2017. – Vol. 51. – No 7. – P. 11–18. [in Russian]
12. Kamyshnikov V.S. Spravochnik po kliniko-biokhimicheskim issledovaniyam i laboratornoi diagnostike [Handbook of clinical and biochemical studies and laboratory diagnostics] / Kamyshnikov V.S. – Moscow: MED press-inform. – 2009. – 896 p. [in Russian]
13. Kishkun A.A. Rukovodstvo po laboratornym metodam diagnostiki [A manual of laboratory methods for diagnosis] / Kishkun A.A. – Moscow: GEOTAR-Media. – 2014. – 760 p.
14. Vel'kov V.V. Prediktory. Novye vozmozhnosti dlya diagnostiki potentsial'no fatal'nykh patologii i otsenki riskov ikh oslozhnenii [Predictors. New opportunities for diagnosing potentially fatal pathologies and assessing the risks of their complications] /Vel'kov V.V. – Moscow: Lomonosoff Print. – 2010. – 34 p. [in Russian]