Space Flight and its Ground Model: How the Metabolic Reactions of Participants Differ

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.125.88
Issue: № 11 (125), 2022
Suggested:
15.10.2022
Accepted:
03.11.2022
Published:
17.11.2022
172
9
XML PDF

Abstract

A research comparing the characteristics of metabolic reactions of astronauts and testers at the end of the acute phase of re-adaptation after real and simulated space flights (SF) of the same duration was carried out. Three astronauts who participated in the flights of 125 and 115 days duration were examined, as well as the astronaut and two control participants (space tourists) with the duration of 12 days. Three male volunteers who participated in the experiment with a 120-day isolation period in a containment chamber and three with a 17-day isolation period were examined as part of the international SIRIUS project. The blood values of 46 biochemical indices reflecting the state of internal organs and tissues as well as the main parts of metabolism were determined. Metabolic reactions of astronauts after prolonged SF are characterized by consequences of long-term stay in zero gravity: decrease in activity of muscle enzymes and levels of nitrogen metabolites, reverse redistribution of body fluids and electrolytes, activation of energy exchange enzymes and lipolysis processes in response to development of re-adaptation stress to earth conditions. In testers due to summation of the action on the skeletal musculature of gravitational and preventive physical loads are observed metabolic signs of skeletal musculature activation with changes in the values of protein, nitrogen and electrolyte exchange involved in muscle activity, but without activation of the enzymes of energy metabolism. After short-term SF and isolation in pressurized volume of similar duration in cosmonaut, spaceflight participants and testers metabolic reactions of the same direction were observed, reflecting the presence of functional changes in abdominal organs, decrease in intensity of metabolic processes with increase in blood content of purine and energy metabolites. Re-adaptation stress both after flights and at the end of isolation was characterized by activation of lipolysis and increased content of macroergic metabolites of utilization in blood. The effect of zero gravity was realized in the greater severity of metabolic changes.

1. Введение

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.

2. Материалы и методы

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.

3. Результаты и обсуждение

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.

Активность ферментов органов брюшной полости: * - различие с фоном; ! - значение показателя выходит за границу референтного диапазона

Рисунок 1 - Активность ферментов органов брюшной полости:

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

Содержание электролитов, микро- и макроэлементов в крови: * - различие с фоном; ! - значение показателя выходит за границу референтного диапазона

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

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

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].
Содержание метаболитов в крови: * - различие с фоном; ! - значение показателя выходит за границу референтного диапазона

Рисунок 3 - Содержание метаболитов в крови:

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

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).

Активность ферментов энергетического обмена в крови: * - различие с фоном; ! - значение показателя выходит за границу референтного диапазона

Рисунок 4 - Активность ферментов энергетического обмена в крови:

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

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.

4. Заключение

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.

Article metrics

Views:172
Downloads:9
Views
Total:
Views:172