Космическая медицина на орбите и на Земле
Как известно, космос не самое благоприятное место для человека: длительное пребывание в невесомости и замкнутом пространстве, повышенное воздействие радиации, значительные перегрузки – лишь часть трудностей, с которыми сталкиваются астронавты. Редакция TechInsider решила разобраться, как медики изучают влияние космического полета на организм и как эти знания помогают нам здесь, на Земле.
С тех пор как мы покорили высочайшие вершины планеты и освоились у ее ледяных полюсов, космос стал главным фронтом, на котором испытываются силы человечества, новейшие идеи, решения и технологии. Многие из них впоследствии находят применение и на Земле. Эргономичные подушки и матрасы наполнены пеной с памятью формы, которая была разработана для ложементов космонавтов, а беспроводные пылесосы являются потомками устройств DustBuster, когда-то созданных для уборки на космических кораблях и станциях. Даже МРТ и компьютерная томография были бы невозможны без хитрых алгоритмов обработки изображений, которые были написаны для анализа снимков поверхности Луны. Но особенно много технологий вернулось на Землю из области космической медицины. Аппараты для диализа почек; инфракрасные градусники, измеряющие температуру через ухо; электрическая стимуляция мышц для их восстановления; даже некоторые препараты – все это было впервые апробировано на орбите.
Впрочем, огромная роль, которую медицина играет в пилотируемой космонавтике, вряд ли станет для кого-то сюрпризом. Человеческое тело и психика эволюционировали многие миллионы лет, все лучше приспосабливаясь к условиям жизни на Земле. Но к условиям космического пространства их не готовил никто. Микрогравитация и радиация, изоляция и стресс – все это губительно сказывается на организме. В отсутствие привычного притяжения нарушается работа вестибулярного аппарата, кровь хуже циркулирует по сосудам, а пища тяжелее продвигается по кишечнику. Техника, непрерывно работающая на космической станции, создает постоянный шум, который тоже отнюдь не облегчает жизнь на борту. Без нормальной гравитации даже слезы толком не льются из глаз. Неудивительно, что с организмом космонавта, отстоявшего орбитальную вахту, могут происходить разительные перемены, в том числе негативно влияющие на работоспособность мозга и концентрацию.
Отпечаток космоса
Сбои вестибулярного аппарата вызывают сильную морскую болезнь, которая мучает многих в первые дни на орбите. Но настоящие проблемы начинаются дальше, когда костные и мышечные ткани, лишенные нормальных нагрузок, быстро деградируют. Перераспределение жидкости в теле приводит к росту внутричерепного давления, вызывая деформацию хрусталиков и нарушения зрения. Все эти эффекты были известны давно, однако самый любопытный эксперимент в области космической медицины состоялся уже в 2010-х благодаря американскому астронавту Скотту Келли. Ученым с ним сильно повезло, поскольку у Скотта есть брат-близнец Марк, также готовившийся к полету в космос. По личным обстоятельствам тот оставил карьеру астронавта и успел побывать на орбите лишь один раз и недолго. Таким образом, у медиков имелось два генетически идентичных однояйцевых близнеца, выросших в одной семье и прошедших одинаковую подготовку. С той разницей, что один собрался целый год проработать на МКС, а другой остался на Земле. Оставалось выяснить, в чем эта разница.
Предварительно братья Келли прошли едва ли не самое дотошное медицинское обследование в истории. Медики секвенировали их ДНК, провели детальные психологические тесты и даже изучили микрофлору. В 2015-м, когда Скотт и его напарник Михаил Корниенко работали на МКС, они провели больше 380 экспериментов по изучению изменений, происходящих с организмом во время долгого космического полета. Некоторые образцы анализировали сразу на месте, другие отправляли на Землю грузовыми кораблями и пересылали в лаборатории. А по возвращении обследование обоих братьев Келли повторили. Так у ученых оказался громадный массив ценных сведений – результатов близнецового эксперимента. К сожалению, для будущих поколений космонавтов они неутешительны.
За время полета Скотт набрал в 24 раза большую дозу радиации, что вызвало появление в его ДНК нескольких новых мутаций. По-новому заработали многие эпигенетические маркеры – небольшие химические модификации, которые регулируют активность генов. Изменился состав кишечной микрофлоры. Масса тела упала, невзирая на специальное питание и ежедневные (кроме воскресений) занятия спортом. Все время полета в крови у астронавта отмечалось повышенное количество цитокинов и жирных кислот, служащих маркерами воспаления. Из-за перераспределения жидкостей в теле организм испытывал хроническую дегидратацию. Несмотря на то что воды Скотт получал достаточно, несколько литров ее переместилось от нижних конечностей к голове, вызвав ослабление зрения.
Ухудшились и его когнитивные способности: уже после возвращения на Землю Скотт отвечал на те же вопросы тестов, что и до полета, однако показал худшие результаты и по точности, и по времени. Ученые связывают эти изменения в работе мозга со стрессом приземления и сложностями адаптации к гравитации. Причем восстановление происходило довольно медленно; такой «отпечаток космоса» прослеживался у астронавта еще целых полгода.
Ложка меда
Нельзя сказать, что негативное действие орбитального полета на организм стало сюрпризом для ученых. Специалисты работают над этими проблемами с самого начала космической эры, и на борту МКС имеется аптечка с парой сотен нужных лекарств. Некоторыми препаратами на орбите пользуются регулярно: по данным NASA, каждый астронавт космического агентства принимает за день в среднем по четыре разных таблетки. Не отстают от них и коллеги из России. Большинство из лекарств, которые принимают космонавты, вполне обычны, и найти такие можно почти в любой аптеке. В укладке, которой пользуются российские космонавты, имеются обезболивающие и противопростудные средства, препараты для повышения и снижения давления, для ускорения свертывания крови – все они доступны и на Земле. Однако некоторые средства изначально создавались для поддержания здоровья и работоспособности космонавтов.
В России этим уже десятки лет занимаются специалисты московского Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН, сотрудниками которого были и остаются некоторые космонавты – например, Сергей Рязанский и Валерий Поляков. Именно ИМБП испытывал на орбите вещества из группы бисфосфонатов, которые оказались полезны в борьбе с деструктивными изменениями костной ткани. В ИМБП появились и некоторые пищевые добавки, эубиотики на основе бифидобактерий и лактобактерий. В стенах института также были изобретены некоторые ноотропные препараты, например фонтурацетам (более известный как «Фенотропил»), способствующие адаптации организма к сложным обстоятельствам и защищающий его от негативных факторов стресса.
Некоторые препараты поучаствовали даже в знаменитой «встрече на орбите» даже в знаменитой «встрече на орбите» – стыковке советского и американского космических кораблей «Союз» и «Аполлон». Считается, что такие вещества могут способствовать активной умственной деятельности, улучшению памяти и повышению обучаемости. Однако это обширная группа, и разные средства могут действовать совершенно по-разному.
Напомним, что в основе работы мозга лежит электрохимическая активность нейронов, которые передают сигналы по сложным, изменчивым сетям. От клетки к клетке сигнал передается с помощью нейромедиаторов – малых молекул, которые выделяют белки на мембране одного нейрона и регистрируют рецепторы на мембране другого. Эти процессы крайне энергоемки, и на них расходуется немалая доля ценной глюкозы, которая имеется в организме. Разные ноотропы способны воздействовать на разные аспекты работы нейронов. Одни стимулируют синтез тех или иных нейромедиаторов, другие повышают число или чувствительность рецепторов, воспринимающих эти молекулы. Например, Фенотропил может активировать работу некоторых рецепторов, чувствительных к нейромедиаторам ацетилхолину и глутамату, что может вести к повышению работоспособности и снижению утомляемости.
В космосе и на Земле
Ноотропные препараты, помогавшие справляться с длительными стрессами и усталостью в космосе, нашли свое применение и в повседневной жизни. Сегодня к таким препаратам обращаются люди многих профессий – от айтишников и аналитиков, которым приходится иметь дело с большим объемом информации и сутками сидеть у экранов, до репортеров и работников скорой помощи с их ненормированным графиком и существенными психоэмоциональными и физическими нагрузками. Лекарства нередко популярны и среди студентов: помогают в концентрации внимания в период сессии и защиты дипломов.
Считается, что ноотропы усиливают метаболизм глюкозы и стимулируют работу синапсов, которые задействованы в этом процессе. Делают они это двумя путями. Во-первых, увеличивая число работающих здесь рецепторов глутамата. Во-вторых, снижая обратное всасывание нейромедиаторов, тем самым повышая уровень норадреналина, дофамина и серотонина в головном мозге. Эти процессы, в свою очередь, влияют на способности к запоминанию и концентрации, которые так нужны во время ночной зубрежки билетов. Кроме того, ноотропы в некоторых случаях рекомендуют пожилым людям, а также тем, кто перенес инсульт, страдает от сердечно-сосудистых заболеваний или тревожно-депрессивных расстройств.
Изобретенные в ИМБП РАН бисфосфонаты сегодня активно применяются для лечения и профилактики остеопороза: они помогают сократить потерю костной массы, уменьшить боли в костях и снизить риск возникновения переломов. А эубиотики являются распространенным методом лечения дисбактериоза, восстановления микрофлоры кишечника после приема антибиотиков, а также используются в гинекологии для борьбы с бактериальным вагинозом и другими болезнями.
А пока мы пользуемся космическими разработками на Земле, на МКС продолжается работа по поиску и созданию новых лекарств. По словам космонавта Федора Юрчихина, каждая экспедиция на станцию обязательно проводит эксперименты, связанные с лечением СПИДа, гепатита, онкологических заболеваний. «Если хоть в одном из направлений мы поможем найти лекарство, то окупим все расходы», – считает Юрчихин.