Даже интенсивные физические нагрузки астронавтов не могут компенсировать мышечную атрофию, вызванную микрогравитацией. Атрофия происходит, отчасти, благодаря механизму, регулирующему усвоение кальция. Недавние исследования показали, что воздействие космического полета изменяет усвоение кальция мышцами. Однако молекулярные механизмы, лежащие в основе этих изменений, изучены недостаточно.
Исследователи из Исследовательского центра Эймса исследовали эти механизмы, применяя машинное обучение (МО) для выявления закономерностей в наборах данных, полученных от мышей, подвергшихся воздействию микрогравитации. Методы МО особенно эффективны для выявления закономерностей в сложных биологических данных и подходят для космических биологических исследований, где небольшие наборы данных часто объединяются для повышения статистической мощности. Об этом сообщается в исследовании «Объяснимое машинное обучение выявляет мультиомические сигнатуры мышечной реакции на космический полет у мышей», Microgravity, декабрь 2023 г.
ISS032-E-011701 (4 августа 2012 г.) — Астронавт НАСА Сунита Уильямс, бортинженер 32-й экспедиции, оснащенная эластичной системой крепления, выполняет упражнения на беговой дорожке с внешним сопротивлением для комбинированной рабочей нагрузки (COLBERT) в узле «Трэнкуилити» Международной космической станции. НАСА
На изображении астронавт НАСА Сунита Уильямс, бортинженер 32-й экспедиции, занимается на беговой дорожке с несущей нагрузкой на МКС. Силовые тренировки могут противодействовать негативному влиянию микрогравитации на мышечную атрофию, но новое исследование Исследовательского центра Эймса направлено на понимание физиологических механизмов, участвующих в этом процессе, и выявление биомаркеров, которые могут стать основой для инновационных мер противодействия. Исследование было проектом Программы подготовки специалистов по космическим наукам о жизни НАСА в Исследовательском центре Эймса, который предоставил финансирование.
Анализ с помощью машинного обучения выявляет молекулярные драйверы физиологических изменений в насосе кальциевого канала саркоплазматического/эндоплазматического ретикулума (SERCA), приводящих к изменениям и потере мышечной массы у грызунов в условиях космического полёта. Были созданы модели машинного обучения для идентификации белков, способных прогнозировать устойчивость организма к микрогравитации в отношении усвоения кальция мышцами. Было обнаружено, что специфические белки, Acyp1 и Rps7, являются наиболее прогностическими биомаркерами, связанными с повышенным усвоением кальция в быстро сокращающихся мышцах.
Это исследование впервые представило исследование влияния МО на усвоение кальция в мышцах в условиях микрогравитации. Оно продемонстрировало роль инициативы NASA в области открытой науки в ускорении развития космической биологии благодаря её использованию в рамках Open Science Data Repository (OSDR) и Analysis Working Groups ARC, а также благодаря участию международной исследовательской группы из США, Канады, Дании и Австралии. Примечательно, что первым автором статьи был студент Калифорнийского университета в Беркли, что продемонстрировало безграничный потенциал сотрудничества NASA и Berkeley в области исследований в области наук о жизни, в частности, в рамках будущего Космического центра Беркли в исследовательском парке NASA.
Ученые обнаружили, что клетки сердца «не очень хорошо переносят условия космоса». Учёные из Университета Джонса Хопкинса отправили 48 образцов биоинженерной сердечной ткани на Международную космическую станцию, где за ними наблюдали в течение 30 дней и сравнивали с идентичными образцами на Земле.
Группа ученых изучила, как низкая гравитация влияет на такие показатели, как сила сокращения клеток, известная как сила сокращения, и на любые нерегулярные паттерны биения.
Результаты оказались тревожными: ученые обнаружили, что клетки сердца «действительно плохо переносят условия космоса», сокращаясь примерно с половиной силы по сравнению с контрольными образцами на Земле, — но это не стало неожиданностью.
Предыдущие исследования показали, что после возвращения на Землю у астронавтов наблюдается снижение функции сердечной мышцы и нарушения сердечного ритма, известные как аритмии. Хотя некоторые из этих эффектов космических путешествий со временем исчезают, но они исчезают не все, и это будет иметь серьёзные последствия для долгосрочных космических миссий.
Ким Док-Хо, профессор биомедицинской инженерии и медицины медицинского факультета Университета Джонса Хопкинса, руководил проектом по отправке сердечной ткани на космическую станцию. Он и его аспирант Джонатан Цуй создали биоинженерную сердечную ткань из человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК).
Клетки выращивались в устройствах типа «орган-на-чипе» – миниатюрных моделях различных органов, в которых искусственные или естественные ткани и клетки выращиваются внутри микрофлюидных чипов. В данном случае 3D-чип был разработан для имитации сердца взрослого человека в камере размером с половину стандартного мобильного телефона.
«Для обеспечения жизнеспособности этих тканей в космосе был использован невероятный объем передовых технологий в области инженерии стволовых клеток и тканей, биосенсоров и биоэлектроники, а также микропроизводства», — заявил Ким в своем заявлении.
Учёные обнаружили, что в ткани, ограниченной пространством, наблюдался повышенный уровень воспаления и окислительного повреждения; белки, называемые саркомерами, которые помогают клеткам сердца сокращаться, также стали короче и стали более беспорядочными. Эти изменения сопоставимы с наблюдаемыми у людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Кроме того, митохондрии клеток, их энергетические станции, стали крупнее, округлее и утратили характерную форму. Это дополнительно свидетельствует о том, что клетки сердца испытали значительный стресс или дисфункцию в космосе, что, вероятно, привело к нарушению выработки энергии, что могло способствовать ослаблению сокращений сердечных клеток и общему ухудшению состояния клеток, наблюдаемому в ходе эксперимента. Такие повреждения также могли повлиять на способность клеток нормально функционировать в целом.
«Многие из этих маркеров окислительного повреждения и воспаления постоянно выявляются при послеполетных осмотрах астронавтов», — заявил в своем заявлении доцент кафедры биомедицинской инженерии Майр Ын Хён Ан.
Исследователи намерены продолжить совершенствование своего «сердца на чипе», чтобы собрать больше данных, которые позволят им точно определить, как именно происходит этот ущерб на молекулярном уровне, и, таким образом, найти способы обеспечить безопасность астронавтов во время длительных космических полетов, которые вскоре могут стать реальностью.
Оценка PFO в связи с DCS в условиях космического полета и во время наземных испытаний. Декомпрессионная болезнь (ДКБ) — это состояние, которое возникает в результате образования пузырьков растворённых газов (в основном азота) в кровотоке и тканях.
Обычно она возникает при быстром падении давления окружающей среды, например, у аквалангистов, в высотной авиации или в других условиях повышенного давления. Выделяющиеся пузырьки газа оказывают различные физиологические эффекты и могут закупоривать кровеносные сосуды, вызывать воспаление и повреждать ткани, что приводит к симптомам ДКБ.
В настоящее время НАСА классифицирует ДКБ на две категории: ДКБ типа I, менее тяжёлая, обычно приводит к симптомам со стороны опорно-двигательного аппарата, включая боль в суставах или мышцах, а также кожную сыпь. ДКБ типа II более тяжёлая и обычно приводит к неврологическим, внутренним уховым и кардиопульмональным симптомам. Риск ДКБ в космическом полёте возникает во время выхода в открытый космос (ВКД), когда астронавты выполняют задачи миссии вне космического корабля, находясь в герметичном скафандре под более низким давлением, чем давление в кабине.
Протоколы смягчения последствий ДКБ, основанные на стратегиях снижения системной азотной нагрузки, реализуются посредством сочетания параметров среды обитания, давления в скафандре и процедур подготовки дыхательного газа (протоколы предварительной подготовки) для обеспечения безопасных и эффективных операций. Патофизиология ДКБ до сих пор не до конца изучена, поскольку случаи наблюдаются, несмотря на отсутствие обнаруженных пузырьков газа, но включает в себя шунтирование венозной газовой эмболии (ВГЭ) справа налево посредством нескольких потенциальных механизмов, одним из которых является открытое овальное окно (ООО).
Известно, что открытое овальное окно (ООО) — отверстие между левым и правым предсердиями сердца — является причиной инсульта у молодых людей. С. Маццукко, Л. Ли, Л. Бинни, П. М. Ротвелл. Наффилдское отделение клинической нейронауки
Открытое овальное окно (ООВ) — это шунт между правым и левым предсердиями сердца, являющийся сохранившимся остатком физиологического сообщения, существовавшего в сердце плода. Повышение давления в левом предсердии в постнатальном периоде обычно прижимает межперегородочный клапан к вторичной перегородке, и в течение первых двух лет жизни перегородки окончательно срастаются из-за развития фиброзных спаек. Таким образом, все люди рождаются с ООВ, и примерно в 75% случаев ООВ происходит их сращение после родов. Из 25% людей, у которых ООВ не срастаются, примерно у 6% наблюдается то, что некоторые считают большим ООВ (> 2 мм). Диаметр ООВ может увеличиваться с возрастом.
Проблема с открытыми овальными окнами заключается в том, что при шунте между предсердиями справа налево венозный эмболический газ может поступать из правого предсердия (венозного) в левое (артериальное) («шунт»), минуя нормальную лёгочную фильтрацию венозных эмболов, которая препятствует их попаданию в артериальную систему. Без фильтрации пузырьки в артериальной системе могут привести к неврологическому событию, такому как инсульт. Любая деятельность, приводящая к повышению давления в правом предсердии/вене по сравнению с давлением в левом предсердии/артериальной (например, проба Вальсальвы, компрессия живота), может дополнительно способствовать прохождению крови и/или эмболов через открытое овальное окно/шунт.
Целью рабочей группы было рассмотрение и анализ состояния и хода исследований и клинических мероприятий, направленных на снижение риска возникновения проблем с PFO и ДКБ во время космических полётов. Выявленные случаи ДКБ во время наземных испытаний в атмосфере, проводимых NASA в герметичных камерах, привели к выделению данной темы в качестве приоритетной для внешнего обзора.
Рабочая группа заседала в течение двух дней в Космическом центре имени Джонсона НАСА и включала экспертов НАСА по предметной области и заинтересованные стороны, а также приглашенных внешних рецензентов из таких областей, как кардиология, гипобарическая медицина, медицина космических полетов и военное здравоохранение. В ходе рабочей группы участникам было предложено изучить предыдущие отчеты и доказательства, связанные с PFO и риском DCS, материалы и информацию, касающиеся текущего опыта и практики НАСА, а также тематические исследования и последующие процессы принятия решений. Рабочая группа завершила обсуждение в открытом форуме, где были вынесены рекомендации по текущей и будущей практике, которые впоследствии были обобщены в итоговом сводном отчете, доступном на общедоступном веб-сайте группы по стандартам NASA OCHMO.
Декомпрессионная болезнь (ДКБ): в крови и тканях образуются пузырьки, вызывающие локальные повреждения. Артериальная газовая эмболия (АГЭ) возникает, когда пузырьки попадают в кровоток и блокируют кровоток, что может привести к повреждению тканей. Питер Н. Шочет, доктор медицинских наук и Хау С. Ли, доктор медицинских наук, д-р Шохет и д-р Ли, детские пульмонологи
В условиях экстремального воздействия/высокого риска исключение лиц с открытым овальным отверстием (PFO) и лечение PFO не обязательно снижает риск развития ДКБ или создает «безопасную» среду. Это может привести к дополнительным различиям и немного снизить общий риск, но не свести риск к нулю. Существуют и другие физиологические факторы, которые также способствуют риску развития ДКБ и могут оказывать более сильное влияние.
На основании имеющихся данных и риска текущих декомпрессионных воздействий (согласно действующим протоколам NASA и требованиям NASA-STD-3001 по ограничению риска ДКБ) не рекомендуется проводить скрининг на наличие дефектов овального окна у участников космических полётов или наземных испытаний. Наилучшей стратегией снижения риска ДКБ является создание максимально безопасной среды в любой ситуации, включая эффективные протоколы предварительной подготовки, обеспечение безопасности и возможность быстрого лечения ДКБ в случае появления симптомов.
По мнению экспертов, в настоящее время не требуется специальных исследований для дальнейшей характеристики PFO с ДКБ и воздействием высот ввиду низкого риска и предпочтительности внедрения адекватных протоколов безопасности и обеспечения доступности лечения как на Земле, так и в космическом полете.
При проведении инженерных протоколов на земле необходимо обеспечить тот же уровень возможностей обработки (камера обработки в непосредственной близости от места проведения испытаний), что и при проведении исследовательских протоколов. Возможность немедленного лечения пациентов с ДКБ имеет решающее значение для обеспечения безопасности испытуемых.
Риск венозной тромбоэмболии во время космического полета. В октябре 2024 года Управление главного врача и здравоохранения НАСА (OCHMO) инициировало создание рабочей группы для анализа состояния и хода исследований и клинических мероприятий, направленных на снижение риска венозной тромбоэмболии (ВТЭ) во время космических полётов. Заседание рабочей группы проходило в течение двух дней в Космическом центре имени Джонсона НАСА; второе заседание по этой теме состоялось в декабре 2024 года в здании Европейского космического агентства (ЕКА) в Кёльне, Германия.
Рабочая группа была сформирована из внутренних экспертов NASA в предметной области (SMEs), группы по стандартам NASA OCHMO, заинтересованных сторон NASA и ESA, а также внешних SMEs, включая врачей и медицинских работников из ведущих университетов и медицинских центров США и Канады.
Венозный тромбоз в условиях космического полёта (СВТ) – это явление, возникающее во время космического полёта, при котором во внутренней яремной вене (и/или связанной с ней сосудистой системе) образуется тромб (сгусток крови). Тромб может протекать симптоматически (тромб, сопровождающийся, помимо прочего, видимым отёком внутренней яремной вены, отёком лица, превышающим «номинальную» степень адаптации к космическому полёту, отёком век и/или головной болью) или бессимптомно. Обструктивные тромбы были обнаружены у очень небольшого числа членов экипажа.
Рисунок приведен только для иллюстрации: местоположения приблизительны, а размеры не соблюдены в масштабе. Примерное местонахождение выявленных тромбов у членов экипажа. Изменённый вариант из книги «Тромбоз вен церебрального синуса» – Университет Колорадо в Денвере
Благодаря лечению члены экипажа смогли выполнить свою миссию, а приём антикоагулянтов был прекращён за несколько дней до посадки, чтобы минимизировать риск кровотечения в случае травмы. Некоторые тромбозы полностью разрешились после посадки, а некоторым потребовалось дополнительное лечение.
Смотрите также... Немного о кошках: история одомашнивания и интересные факты о поведении домашних питомцев |
Предложенный патогенез ВТЭ называется триадой Вирхова и предполагает, что ВТЭ возникает в результате:
— Изменения кровотока (т.е. застой),
— Повреждение/изменения эндотелия сосудов и/или
— Изменения в составе крови, приводящие к гиперкоагуляции (т. е. наследственная предрасположенность или приобретенная гиперкоагуляция).
Триада Вирхова факторов риска венозного тромбоза. Бушница, 2017
Застой крови, или венозный застой, – это состояние, при котором кровоток в венах замедляется, что приводит к их застою. Замедление кровотока может быть вызвано повреждением или ослаблением венозных клапанов, неподвижностью и/или отсутствием мышечных сокращений. Сопутствующие симптомы включают отёки, изменения кожи, варикозное расширение вен и медленно заживающие язвы. В земной медицине венозный тромбоз обычно вызван повреждением или ослаблением венозных клапанов, что может быть обусловлено многими факторами, включая старение, образование тромбов, варикозное расширение вен, ожирение, беременность, малоподвижный образ жизни, приём эстрогенов и наследственную предрасположенность.
Помимо земных факторов риска венозной тромбоэмболии, существуют физиологические изменения, связанные с космическим полетом, которые, как предполагается, потенциально играют роль в развитии венозной тромбоэмболии в условиях невесомости. В частности, исследователи изучали влияние условий микрогравитации и последующего наблюдаемого смещения циркулирующей жидкости в головном мозге, а также его потенциальное влияние на кровоток. Члены экипажа на борту Международной космической станции (МКС) испытывают невесомость из-за условий микрогравитации, что приводит к длительному перераспределению циркулирующей жидкости от ног к голове. Длительное смещение циркулирующей жидкости в головном мозге во время невесомости приводит к отёчности лица, уменьшению объёма ног, увеличению ударного объёма сердца и уменьшению объёма плазмы.
Члены экипажа также испытывали изменения кровотока во время космического полёта, включая ретроградный венозный кровоток (РВК) (обратный ток венозной крови к мозгу) или стаз (остановку или замедление кровотока). Хотя причины наблюдаемого стаза и ретроградного кровотока у участников космического полёта изучены недостаточно, потенциальное клиническое значение этой роли в развитии тромбообразования требует дальнейшего изучения.
Изучаются и другие физиологические проблемы, связанные со сдвигами жидкости, чтобы определить, существует ли какая-либо связь с венозной тромбоэмболией (ВТЭ).
Допплеровское исследование ретроградного кровотока в левой внутренней яремной вене. Ян и Сеоу, 2009
Хроническая невесомость может вызвать перемещение биологических жидкостей, таких как кровь и спинномозговая жидкость, к голове, что может привести к отеку зрительного нерва, складкам сетчатки, уплощению задней стенки глаза и отеку мозга. Этот набор изменений глаз и мозга называется «нейроокулярным синдромом, связанным с космическим полетом», или SANS. Некоторые астронавты испытывают лишь незначительные изменения в космосе, в то время как другие имеют клинически значимые последствия. Долгосрочные последствия для здоровья от этих изменений неизвестны, но активно изучаются. Риск развития SANS выше во время длительных миссий.
На основании экспертного мнения и оценки факторов риска тромбоза был разработан алгоритм, призванный обеспечить диагностику и лечение тромбообразования в условиях невесомости во время полета. Алгоритм основан на раннем ультразвуковом исследовании в полете для определения характеристик кровотока в левой внутренней яремной вене и прилегающих сосудах.
Спустя пять лет после космических путешествий у астронавтов наблюдается хорошее состояние сердечно-сосудистой системы. Жизнь в условиях микрогравитации меняет тело человека, и обычно в худшую сторону. Снижается плотность костей, атрофируются мышцы и опухают глаза — вот лишь некоторые из физических побочных эффектов длительного космического полёта. Однако, согласно новому исследованию, для астронавтов есть и хорошие новости: длительное пребывание на Международной космической станции (МКС) не представляет никакой опасности для их артерий.
Иллюстрация платформы проекта PULSE, использующей магнитную и акустическую левитацию для биологической печати модели человеческого сердца. IN society
Исследователи изучили 13 астронавтов-добровольцев НАСА в возрасте от 30 до 50 лет, которые провели на МКС от четырёх месяцев до года. Они сделали ультразвуковые исследования сонных и плечевых артерий участников до, во время и сразу после космического полёта, а также через один, три и пять лет после него. И, что замечательно, артерии у всех выглядели отлично. Статья об исследовании была опубликована 10 июня 2025 года в журнале «Journal of Applied Physiology».
«Длительные космические полёты на МКС не привели к утолщению стенки сонной артерии, повышению жёсткости общей сосудистой артерии, эндотелиальной дисфункции или развитию новых симптомов или признаков сердечно-сосудистых заболеваний в течение первых 5 лет после длительного космического полёта», — пишут исследователи в своём исследовании. Они также отметили, что любой риск сердечно-сосудистых заболеваний, вероятно, был обусловлен естественным старением, а не космическим полётом.
Левитирующие частицы, управляемые магнитным и акустическим полем, собираются вместе, формируя модель человеческого сердца. IN Society
Однако исследование выявило в образцах крови и мочи астронавтов окислительный стресс и воспаление — признаки, свидетельствующие о проблемах с сердечно-сосудистой системой. Они исчезли в течение недели после возвращения на Землю. В конечном счёте, сердечно-сосудистая система, по-видимому, весьма устойчива к воздействию микрогравитации.
Смотрите также... HTML, CSS-шпаргалка с примерами - тег IMG, figure и picture. Адаптирование, форматирование, эффекты Полный список обработчиков событий HTML / Javascript с примерами |
