К Дню космонавтики: врачи и учёные исследуют гравитацию

Воздействие микро- и гипергравитации на организм

В 2024 году сразу две статьи сотрудников Института физиологии Пироговского Университета были отмечены в дайджесте NASA Spaceline, посвященном наиболее значимым и интересным результатам исследований в области космической биологии за 2023 год. Другую статью издательство Wiley отметило как самую цитируемую в журнале издательства Physiological Reports.

«Звездные» статьи

Звание самой цитируемой статьи за 2022–2023 годы получило наше исследование «Роль активации двух различных сайтов связывания sGC с помощью NO-зависимых и NO-независимых механизмов в регуляции SACs в кардиомиоцитах желудочков крыс». 

А организация NASA Spaceline отметила работы «Моделируемая микрогравитация меняет количество транскриптов генов механоуправляемых и механосенситивных ионных каналов кардиомиоцитов желудочков крыс» и «Моделируемая микрогравитация и гипергравитация меняют уровень экспрессии генов растворимой гуанилат-циклазы,  аденилатциклазы   и  фосфодиэстераз у кардиомиоцитов желудочков крыс».

Все три работы посвящены результатам фундаментальных исследований, которые ведутся в нашем коллективе уже много лет. Нас цитируют и цитировали очень хорошо всё время. Мы получаем интересные данные благодаря уникальным методам, которые были разработаны директором Института д.м.н. Андреем Глебовичем Камкиным и которые никому в мире пока не удалось воспроизвести. Естественно, что в результате мы получаем приоритетные на международном уровне данные.

 

Космическая биология в Пироговском Университете

Наши работы посвящены раскрытию интракардиальных механизмов регуляции деятельности сердца, а точнее — механизмов регуляции механоэлектрической обратной связи. Эти исследования начались более 40 лет назад, и путь, который прошли наши ученые к этим знаниям, заслуживает подробного рассказа.

С 1960-х годов одним из приоритетных вопросов, которым занимались ученые страны под руководством Академии наук (АН) СССР, Министерства обороны СССР и 3-го Главного управления при Минздраве СССР, был вопрос о механизмах физического воздействия (гипергравитации, невесомости — микрогравитации, ударной волны и др.) на организм человека и выявления способов ослабления этого воздействия.

Так как многолетние исследования не привели к значимым результатам, в самом начале 1980-х состоялось рабочее совещание глав заинтересованных ведомств под председательством вице-президента АН СССР академика Юрия Анатольевича Овчинникова, посвященное дальнейшим путям развития этого направления. На совещание был приглашен Андрей Глебович Камкин, в то время еще аспирант 2-го Московского медицинского института (ныне — директор Института физиологии Пироговского Университета, доктор медицинских наук, профессор). 

Незадолго до этого, в 1978–1979 годах, он получил известность как разработчик и создатель экспериментальных образцов новейшей по тем временам и не имевшей аналогов в мире аппаратуры для исследований электрических потенциалов клеток. И именно Андрей Глебович заметил, что надо искать специфические клетки или специфические структуры мембран клеток, которые реагируют на механическое воздействие и преобразуют его в электрические потенциалы. После дискуссии ему и было поручено развитие этой (по тем временам весьма спорной) тематики. Кафедра физиологии медикобиологического факультета (МБФ) Пироговского Университета, где он работал, получила значительное финансирование и современное фондируемое оборудование. А в качестве объекта исследований было выбрано сердце, в  котором сочетается  и  электрическая, и механическая активность.

Механоуправляемые  каналы кардиомиоцитов

Как  общеизвестно,  функция сердца  заключается в обеспечении циркуляции крови по сосудам. Это происходит благодаря последовательному расслаблению предсердий и желудочков (диастола), а затем их сокращению (систола). Заканчивается цикл расслаблением всех четырех камер (общая пауза). Сокращение сердечной мышцы (миокарда) вызывается электрическими импульсами, которые возникают в клетках синусно-предсердного узла, называемого водителем ритма. Далее электрическое возбуждение передается по специализированным определенным путям к желудочкам. Мышечные клетки сердечных камер желудочков сокращаются и расслабляются согласованно, тем и обеспечивается четкий ритм в работе сердца как насоса, перегоняющего кровь. 

Процесс, когда электрические потенциалы, генерируемые клетками, вызывают сокращение клеток сердца — кардиомиоцитов — называется электромеханическим сопряжением.

Это явление было описано А. Хаксли в 1959 году. Вместе с тем в 1968 году молодым британским физиологом М. Дж. Лабом было высказано предположение о наличии в сердце механоэлектрической обратной связи, то есть процесса, при котором механическое воздействие на миокард вызывает в клетках измененные электрические сигналы, в свою очередь меняющие механическую работу сердца.

Более двух десятилетий, проведенных в попытках выявить эту обратную связь, не привели ни к каким результатам из-за несовершенства применяемых методов исследований. Только в 1983 году молодой советский физиолог Андрей Глебович  Камкин на разработанной им уникальной аппаратуре смог совместно с  Ириной  Сергеевной Киселевой (в те годы доцентом, а позднее — профессором кафедры) показать, что в предсердиях и желудочках, помимо рабочих кардиомиоцитов, существуют клетки, которые  выполняют функцию механоэлектрических преобразователей. Оказалось, что это сердечные фибробласты, кластеры которых окружают кардиомиоциты. Несколько позднее было показано, что и кардиомиоциты реагируют на механическое воздействие. А в основе этого ответа лежат совершенно новые и неизвестные ранее механоуправляемые ионные каналы клеток. Позже это открытие было подтверждено группой ученых из США.

К середине 1990-х годов механоиндуцированные потенциалы и токи через механоуправляемые каналы были изучены уже довольно детально. Оказалось, как и предполагал А.Г. Камкин, что одним из механизмов в развитии аритмий и фибрилляции сердца является несбалансированность электрического    взаимодействия     кардиомиоцитов и фибробластов, связанная с изменением работы механоуправляемых ионных каналов. Эти выводы были подтверждены в серии экспериментов. По итогам исследований в 2000-х годах впервые была предложена модель работы сердца в норме и при патологии с учетом наличия механоуправляемых ионных каналов в кардиомиоцитах и фибробластах и взаимодействия этих клеток через коннексоны.

Многие годы мировым научным сообществом безрезультатно осуществлялся поиск соединений, способных регулировать механоуправляемые ионные каналы, как в направлении их ингибирования, так и в направлении активации. Сделать это удалось только на кафедре физиологии МБФ: в 2000 году А.Г. Камкин продемонстрировал, что модулировать работу этих каналов способен оксид азота (NO).

В те годы, к сожалению, результаты опубликованы не были — их посчитали слишком смелыми и недостаточно обоснованными. Для убедительного подтверждения роли NO в регуляции механоэлектрической обратной связи понадобились годы. С 2003 года это направление исследований продолжал старший научный сотрудник кафедры физиологии МБФ Пироговского Университета В. Е. Казанский. 
Только в 2010 году в двух статьях в отечественном журнале «Бюллетень экспериментальной биологии и медицины» основной эффект был опубликован.

Последующие годы потребовались для изучения механизма действия оксида азота на механоуправляемые каналы. И наконец массив данных был опубликован в статье объемом 49 (!) журнальных страниц «Роль активации двух различных сайтов связывания sGC (растворимой гуанилатциклазы) с помощью NO-зависимых и NO-независимых механизмов в регуляции SACs [ионных каналов, активируемых растяжением] в кардиомиоцитах желудочков крыс». 

По мнению редакционной коллегии журнала Physiological Reports, который издается под эгидой Американского и Британского физиологических обществ, такой объем статьи, многократно превышающий норму, оправдан научной значимостью и полнотой работы. Кроме того, с авторского коллектива не взяли оплату за цветные иллюстрации, а затем даже и взнос за публикацию статьи.

В этой статье впервые в мире была четко показана возможность регуляции работы механоуправляемых каналов донорами оксида азота. Было доказано, что NO непосредственно связывается с растворимой гуанилатциклазой, и это взаимодействие индуцирует внутриклеточные сигнальные пути регуляции активности каналов. Более того, было доказано, что эффект NO зависит от концентрации этого медиатора. При экзогенном введении NO в низких концентрациях происходит активация каналов, а при высоких — ингибирование.

Также было продемонстрировано, что сходные реакции можно вызвать через второе место связывания на растворимой гуанилатциклазе, которое не имеет отношения к NO, то есть открыт был не только NO-зависимый, но и NO-независимый механизм воздействия на работу механоуправляемых каналов. Это открывает огромные перспективы в создании фармакологических препаратов, направленных на предотвращение или купирование механоиндуцированных аритмий.

Основа для поиска новых лекарственных средств

Присутствие NO, образование которого в физиологических условиях катализирует фермент NO-синтаза, необходимо для нормальной работы механоуправляемых каналов и  сердца  в целом. В патологических условиях, когда активность фермента повышена или понижена,  происходит изменение работы механоуправляемых каналов.
Настоящее исследование заставляет пересмотреть весь интракардиальный   механизм деятельности сердца, обязательно учитывать наличие механоуправляемых каналов, количество и активность которых могут меняться и приводить к нежелательным осложнениям. Поскольку изучен конкретный механизм активации и ингибирования работы механоуправляемых каналов, обозначен реальный путь для поиска необходимых фармакологических препаратов, нормализующих ритм сердца.
Хочется отметить, что мы получили значительный отклик от зарубежных коллег. В этом плане первым откликнулся профессор Zhang Li из Sichuan University в КНР, который предложил нам сотрудничество и финансирование подобных работ. Вообще, в Китае быстро оценивают ситуацию и сразу ищут пути взаимодействия. Обычно первые предложения, связанные с той или иной работой, приходят из Китая, тем более что ранее у нас были аспиранты из Китая, потом из США.

Гипер- и микрогравитация крыс в лабораторных условиях

В 2018 году А.Г. Камкин на основе уже известной информации об участии механоуправляемых ионных каналов в работе сердца предложил вернуться к исходной идее об их основной роли в реализации механизмов гипергравитации, микрогравитации, ударной волны и др. Нам представлялось важным вернуться к исходной теме, так как покорение космоса и работа современной авиации ставят вопросы защиты или предотвращения последствий длительного действия невесомости и перегрузок. 

И этим всегда занимались прежде всего физиологи. Более того, именно для подобных физиологических исследований в 1963 году М.В. Келдыш и С.П. Королев создали Институт медико-биологических проблем (ИМБП). Создали для обеспечения научно-исследовательской работы в рамках изучения пилотируемых космических полетов и фундаментальных исследований в области   космической  биологии и медицины. Но в те годы исследования проводили в основном на организменном или тканевом уровне.

Представленная нами программа  исследований прошла множественные экспертизы, а в конце 2020 года получила согласования и положительные заключения со стороны Президиума Российской академии наук, Роскосмоса, Федерального медико-биологического агентства России. Однако начавшаяся пандемия и последующие события не позволили провести должное финансирование этой программы. Поэтому пока работы по изучению действия физических факторов на механоуправляемые каналы проводились за счет внутренних резервов кафедры и Университета.

ежде всего мы наладили у себя специальную методику, позволяющую подвергать крыс микро- гравитации. В этом нам помог заведующий одной из лабораторий ИМБП профессор Б.С. Шенкман и директор ИМБП академик РАН О. И. Орлов.

Одновременно под моим руководством была разработана и затем изготовлена специальная программируемая центрифуга для создания длительной гипергравитации у крыс. Позднее оказалось, что в настоящее время в мире имеются только две такие центрифуги — в Корее и у нас, причем наша, в отличие от корейской, предназначена для много- недельного создания гипергравитации по любой программе.

Причина отсутствия центрифуг очень проста. В мире ни у кого не возникло идей, подобных идее наших специалистов, для их применения. Кроме того, такие центрифуги, изготовленные в единичном исполнении, стоят очень дорого.
Благодаря энтузиазму сотрудников Пироговского Университета и их способности разрабатывать и воплощать в железе уникальное оборудование,  в короткие сроки впервые в мире было показано, что только длительная гипергравитация (в течение семи дней или дольше) приводит  к резкому увеличению (в два раза и более) количества транскриптов генов механоуправляемых каналов. При этом в два-три раза повышается чувствительность клеток сердца к растяжению, что связано с увеличением концентрации этих каналов на клеточной поверхности.

Что же касается микрогравитации, то она за то же время вызывает выраженное снижение транскриптов генов механоуправляемых каналов. Это ведет к снижению количества белков каналов и к появлению крайне слабой реакции клеток на растяжение.

Кроме того, нами было показано, что у крыс гипер- и микрогравитация приводят к изменению количества транскриптов многих регуляторных генов, то есть меняется не только регуляция работы механоуправляемых каналов, но и многих других клеточных структур.

Полученные данные заставляют полностью пере- смотреть молекулярно-клеточные процессы, про- исходящие под действием микро- и гипергравитации, дают возможность понять, что происходит с организмами в таких условиях, и в итоге позволят начать разработку лекарственных средств, которые смогут предотвращать негативные эффекты перегрузок и невесомости, а также избавлять организм от последствий длительного воздействия этих факторов.

В NASA выделили наши работы по простой причине. Там представлены уникальные данные, позволяющие  переосмыслить   имеющуюся  информацию и сформировать еще одно направление развития науки.

Конечно, микрогравитацией, как и гипергравитацией, в мире занимаются. Но решаются совершенно иные, сиюминутные задачи, в большей степени связанные с изучением клинических проявлений воздействия этих факторов на организменном или биохимическом уровне. Отсутствие глобальных концепций — одна из характерных особенностей многих работ в данной области. Часто задача научного коллектива — быстро провести исследование и получить прибыль в том или ином виде. С таким подходом развитие области много теряет.

Кроме того, исследования механоуправляемых каналов на растянутых клетках в других странах проводятся по очень трудоемким методикам, сте- пень успешности которых — одна удачно подго- товленная к работе клетка на 30–40 попыток. Мало найдется специалистов, кто соглашается на подобное самоистязание. В то же время технология, которую разработал в конце 1990-х годов А.Г. Камкин, позволяет   успешно растягивать каждую клетку. 
Однако в основе подхода лежит ноу-хау, которое знают только сотрудники нашего коллектива, а все попытки западных специалистов понять его суть успехом не увенчались. И конечно, в любом случае эта технология требует хороших рук и большой усидчивости.

«Хронические» перегрузки  летчиков и космонавтов

Полученные в Институте физиологии Пироговского Университета результаты, связанные с микро- и гипергравитацией, могут изменить в современной авиации и космических полетах всё!

При современных скоростях в авиации и при взлете ракет летчики и космонавты испытывают огромные перегрузки. Конечно, специальные костюмы частично компенсируют их воздействие на организм во время самого полета, но не предотвращают влияние перегрузок на клеточном и молекулярном уровнях.

Кроме того, особенно для летчиков «хронические» перегрузки, по-видимому, ведут к существенным изменениям в белковом  составе  клеток. Сдвиги в канальном спектре и спектре ферментов мы уже показали. Всего две  недели  «полетов» крыс по несколько часов в день — и видны принципиальные изменения. А что будет при длительном действии гипергравитации — годы жизни и работы пилотов?

Мы все видим, что происходит с космонавтами после  возвращения со  станции  (что со  станции «Мир», что с МКС). Их выносят и долго реабилитируют. Почему? Мало ионных каналов — например, механосенситивных кальциевых каналов в костной ткани. Последствия очевидны.

Но всё это можно предотвратить. Но не столько тренировками на орбите, сколько фармакологическими средствами, которые активируют работу сохранившихся после  длительного пребывания в невесомости ионных каналов и индуцируют продукцию новых. Наоборот, применение ингибиторов ионных каналов у летчиков, возможно, продлит годы их активных полетов.

Кадры решают всё

Недавно кафедра физиологии и научная лаборатория электрофизиологии были объединены в Институт физиологии Пироговского Университета.

В Институте физиологии Пироговского Университета имеется вся необходимая аппаратура для проведения исследований широкого спектра. Это и аппаратура для электрофизиологических исследований ткани и клеток, и приборы для биохимических и гистоиммунохимических работ, включая конфокальную микроскопию, и всё необходимое для генетического и молекулярно-биологического анализа. Нашему сверхсовременному оборудованию в достаточном количестве зарубежные институты соответствующего профиля могут только позавидовать.

В Институте  сегодня  собрана уникальная команда — лучшие специалисты по механо- управляемой обратной связи не  только  в России, но и за рубежом. Каждый из них работает в своем направлении, владеет набором уникальных методик. А в совокупности это дает проводить полноценные и востребованные исследования.

Таким образом, сегодня мы можем решать амбициозные глобальные задачи без сотрудничества с отечественными и зарубежными организациями. Основа этого — прекрасное оснащение лабораторий и высококвалифицированные кадры, которые в свое время прошли длительные стажировки в ведущих зарубежных университетах, а сейчас успешно работают и совершенствуют свои достижения у нас. Ежегодно мы публикуем до 30 научных статей в ведущих рецензируемых журналах мира. Выпускаем монографии, учебники и другую литературу.

На пороге новых открытий

Разумеется, наши исследования будут продолжены. Сейчас мы закончили основные работы и подготовили статью о механизме изменения основного тока, текущего через мембрану  кардиомиоцитов, — кальциевого тока, определяющего работу этих клеток, в условиях растяжения. Продолжаются работы по изучению механизмов гипер- и микро- гравитации. А также мы планируем начало принципиально новых работ — исследований роли механоуправляемых каналов при контузиях. Это направление требует от всех временных затрат.

Мы полагаем, что механоуправляемые каналы играют ключевую роль в основных механизмах контузий. Для проверки этого нам надо создать систему (мы условно назвали ее «пушкой»), в которой крысы будут испытывать действие ударной волны раз- ной степени, а мы будем наблюдать, как меняется работа механоуправляемых каналов.  Надеемся, что все расчеты параметров «пушки» мы выполним в ближайшее время и что завод изготовит систему к концу этого года.

Как видите, планов очень много. У нас есть для этого профессионализм, энтузиазм, идеи и оборудование. Единственное — всегда есть потребность в дополнительном финансировании работ, ведь, как известно, большие дела делаются большими средствами.