Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Област
Направление НПИ: 4. Космическая биология и биотехнология
Секция КНТС: 1. Космическая биология и физиология
Наименование эксперимента: Особенности дифференцировки, функциональных потенций и адаптаций остеогенных клеток в условиях космического полёта
Цель эксперимента:

Особенности дифференцировки, функциональных потенций и адаптаций стромальных клеток костного мозга в условиях космического полёта

 

Описание эксперимента:

 Костный скелет является одной из важнейший мишеней действия факторов космического полёта на организм. Установлено снижение минеральной насыщенности костной ткани, интенсивности остеопластических процессов, что может приводить к развитию остеопении и остеопороза (Григорьев и др., 1994; Arnautetal., 1998; Оганов, 2003, 2009 и др.).

Это является серьёзным фактором, лимитирующим длительность космических полётов.  Клеточные и тканевые механизмы влияния микрогравитации на костный скелет и развитие остеопоротических изменений остаются во многом неясными. Актуальным является исследование гравизависимых реакций мультипотентных стромальных клеток костного мозга (МСК) и их производных – остеогенных клеток-предшественников, изменений их  ультраструктуры, особенностей пролиферации, дифференцировки, специфического функционирования. Не изучены роль и степень участия стромальных клеток-предшественников в иерархии гравичувствительности клеток в системе стромально-остеобластно-остеоцитарного синцития, обеспечивающего функционирование костной ткани и трансдукцию в ней механических сигналов. Условия КЭ – оптимальная модель для поиска ответа на эти фундаментальные вопросы.

Цель космического эксперимента

Получение новых научных данных об изменениях ультраструктуры, пролиферации, дифференцировки, функциональных потенций и адаптаций стромальных клеток костного мозга, содержащих остеогенные клетки-предшественники, о механизмах гравичувствительности клеток при действии факторов космического полёта.

Основными задачами эксперимента являются:

- изучить в условиях invitro цитологические, ультраструктурные, цитохимические, и популяционные характеристики клеток стромы костного мозга, содержащих остеогенные клетки-предшественники;

- исследовать дифференцировочные потенции клеток костномозговой стромы, особенности пролиферации, дифференцировки, специфического функционирования остеогенных клеток-предшественников, некоторые механизмы их гравичувствительности;

- провести сравнительный анализ данных, полученных на клеточных культурах стромальных клеток костного мозга с результатами исследований на тканевом и организменном уровнях для выяснения взаимодействия в остеогенезе локальных и системных факторов.

Подготовку и проведение КЭ «Област» планируется выполнить в соответствии с научной программой по предлагаемой циклограмме. Перед стартом клеточные культуры костного мозга крыс, находящиеся в биоконтейнерах, выдерживаются в термостате при температуре +37°С в течение 3 суток для адгезии клеток. Затем биоконтейнеры с культурами размещаются в термостате (+4°С) транспортировочного устройства «Биолаборатории М» и перед стартом доставляются на борт станции (при температуре +4°С). Активная часть эксперимента начинается сразу после размещения биоконтейнеров с культурами клеток в термостатах (+37°С) «Биолаборатории М» и на бортовой центрифуге (1g) (синхронный контроль). Длительность активного периода эксперимента (сеанса) 7-12 суток. Параллельно будет поставлен наземный контроль. В конце эксперимента космонавт-оператор выполняет манипуляции, связанные с химической фиксацией клеточных культур (ампула с фиксирующей смесью находится внутри биоконтейнера), а также помещает часть биоконтейнеров с культурами в термостат (+4°С) и холодильник (–15°С). По окончании эксперимента биоконтейнеры с культурами размещаются в холодильнике транспортировочного устройства «Биолаборатории М» при температуре (+4°С) и (–15°С) и доставляются на Землю.

Принципиальными требованиями к проведению, определяющими качество получаемой информации являются стабильность температурного режима термостата, холодильника, бесперебойное вращение центрифуги.

После полёта будет проведена обработка биоматериала и сравнительный анализ полётных и контрольных (синхронных и наземных) клеточных культур с применением методов световой микроскопии, электронной микроскопии, фазово-контрастной,  конфокальной и люминесцентной микроскопии, цитоиммунохимии, молекулярно-генетических методов и др., согласно научных задач. Планируются также провести послеполётные исследования живых клеточных культур с использованием специальных маркеров специфических биосинтезов для оценки пролиферативного и дифференцировочного потенциала, а также метаболической активности стромальных клеток костного мозга. Комплекс методов и их научная информативность адекватны для решения поставленных задач.

Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями.

КЭ «Област» имеет научную новизну в плане постановки задач исследования и методических подходов. Высокий качественный уровень исследований предполагает получение новых по сравнению с имеющимися отечественными и зарубежными разработками данных о роли гравитационного фактора в дифференцировке остеогенных клеток-предшественников в составе стромы костного мозга. Результаты исследований позволят дать ответ на выдвигаемую исполнителями гипотезу о клеточных механизмах ремоделирования в костных структурах и направленности трансдукции механических сигналов в системе стромально-остеобластно-остеоцитарного синцития костной ткани; внесут новое в понимание механизмов влияния факторов космического полёта на остеогенетические процессы в костном скелете и развитие остеопороза.

 

Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование (с указанием области применения).

Будут получены новые для науки и практических разработок данные о гравизависимых изменениях в клетках стромы костного мозга. Результаты исследований об особенностях колониеобразования, ультраструктуры, дифференцировки и функциональных потенций МСК и их производных – остеогенных клеток-предшественников в условиях микрогравитации послужат основой для разработки методов диагностики и прогнозирования (тест-системы), а также коррекции патологических состояний костной ткани, в частности остеопении и остеопороза, развитие которых возможно в условиях длительных космических полётов и при гипокинезии, которая в настоящее время рассматривается как экосоциальный фактор.

Области применения:

космическая медицина и биология, биотехнология, практическая и теоретическая медицина и биология.

 

Новизна эксперимента:

КЭ «Област» имеет научную новизну в плане постановки задач исследования и методических подходов. Высокий качественный уровень исследований предполагает получение новых по сравнению с имеющимися отечественными и зарубежными разработками данных о роли гравитационного фактора в дифференцировке остеогенных клеток-предшественников в составе стромы костного мозга. Результаты исследований позволят дать ответ на выдвигаемую исполнителями гипотезу о клеточных механизмах ремоделирования в костных структурах и направленности трансдукции механических сигналов в системе стромально-остеобластно-остеоцитарного синцития костной ткани, внесут новое в понимание механизмов влияния факторов космического полёта на остеогенетические процессы в костном скелете и развитие остеопороза.

Научная аппаратура:

НА «Биолаборатория-М» является многоцелевой, не имеющей зарубежных аналогов, аппаратурой для проведения биологических космических экспериментов широкого профиля. Она состоит из блоков, включающих следующие конструктивные модули:

- бортовой термостат;

- холодильно-морозильный блок;

- центрифугу;                             

- биоконтейнеры различной конфигурации;

- устройство для фиксации биологического материала;

- автономный блок питания;

- цифровую камеру;

- кабели питания и кабели для подключения к ИУС;

- комплект ЗИП.

Ожидаемые результаты:

Будут получены новые для науки данные о гравизависимых изменениях в стромальных клетках костного мозга, изучены их дифференцировочные потенции, а также особенности пролиферации, дифференцировки, специфического функционирования остеогенных клеток, некоторые механизмы их гравичувствительности. Проведен сравнительный анализ данных, полученных на клеточных культурах стромальных клеток с результатами исследований на тканевом и организменном уровнях для выяснения взаимодействия в остеогенезе локальных и системных факторов.

 

Полученные результаты:

 

Сроки проведения: 2012-2013 гг.
Состояние эксперимента: Введен
Организация постановщик: ГНЦ РФ - ИМБП РАН
Организации участники: «РКК «Энергия» им. С.П. Королева», ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина», НПО «Дисковые системы», г. Киев
Научный руководитель: Оганов В. С., ИМБП РАН, зав. лаб., д.м.н., профессор; Родионова Н.В., Институт зоологии им. И.И. Шмальгаузена НАН Украины, г. Киев, зав.отделом, д.б.н., профессор
Публикации по эксперименту:

1.                  Buravkova L., Romanov Y., Grigorieva O, Merzlikina N. Cell-to-cell interaction in changed gravity: ground-based and flight experiments // Acta Astronaut, 2005. – 57 (2-8). – P. 67-74.

2.                  Garetto L.P., Morey E.R., Durnova G.N. et al. Preosteoblast production in Cosmos 2044 rats: shot-term recovery of osteogenic potential // J. Appl. Physiol. – 1992. – 73. – P. 14-18.

3.                  Fridenstein A.J., et al. Origin of bone marrow stromal mechanocytes in radiochimeras and heterotopic transplants // Exp. Hematol., 1978. – V. 6, № 5. – P. 440-444. 

4.                  Morey-Holton E.R., Wronsky T.J. Animal model for simulating weightlessness // The Physiologist., 1981. – 24, N 6. – P.45-48.

5.                  Noble B.S., Peet E., Stevens H. et al. Mechanical loading: biphasic osteocyte survival and targeting of osteoclasts for bone destruction in rat cortical bone // J.Physiology – Cell Physiology. – 2003. – 284, N 4. – P.934-943.

6.                  Oganov V.S. The skeletal system, weightlessness, and osteoporosis. M., Firm "Slovo", 2006. – 256 p.

7.                  Rodionova N.V., Oganov V.S. Morpho-functional adaptations in the bone tissue under the space flight conditions // J. Gravit. Physiol., 2001. – vol. 7 (3). – p.72-73.

8.                  Rodionova N.V., Oganov V.S. Peculiarity of ultrastucture and 45Ca methabolism of osteoclasts in condictions of hind limb unloading and microgravity // Vestnik zoology, 2009. – 43 (4). – P. 305-313.

9.                  Rodionova N.V., Oganov V.S., Zolotova N.V. Ultrastructural changes in osteocytes in microgravity conditions // J. Advanc. Space Research, 2002. – vol. 30, № 4. – Р. 775-770.

10.              Rodionova N.V., Oganov V.S.Changes of cell-vascular complex in zones of adaptive remodeling of the bone tissue under microgravity conditions //J. Advanc. Space Research. USA, 2003. – Vol. 32, № 8, – P. 1477–1482.

11.              Rodionova N.V., Shevel I.M., Oganov V.S., Novikov V.E. Bone ultrastructural changes in Bion 11 Rhesus Monkeys. // J. Gravit. Phisiol., 2000. – vol.7. (1). – р 157-161.

12.              Березовская О.П., Родионова Н.В. Влияние микрогравитации на остеогенные клетки in vivo. Ультраструктурные исследования // Цитология и генетика. – 1998. – 32, № 4. – С. 3-8.

13.              Воложин А.И., Оганов В.С. (Ред) Остеопороз. // Практическая медицина, Москва 2005, 238с.

14.              Газенко О.Г., Григорьев А.Н., Наточин Ю.В. Водно-солевой гомеостаз и космический полет // Проблемы космической биологии. – М.: Наука, 1986. – Т.54. – 240 с.

15.              Гершович П.М., Гершович Ю.Г., Буравкова Л.Б. Цитоскелет и адгезия культивируемых стромальных клеток-предшественников костного мозга человека при моделировании эффектов микрогравитации // Цитология. – 2009. – Том 51, № 11. – С. 896-901.

16.              Григорьев А.И., Воложин А.И., Ступаков Г.П. Минеральный обмен у человека в условиях измененной гравитации. – М.: Наука, 1994. – Т.74. – 216 с.

17.              Оганов В.С., Бакулин А.В., Новиков В.Е., Мурашко Л.М., Кабицкая О.Е. Изменения костной ткани человека в космическом полете. О возможных механизмах остеопении // Остеопороз и остеопатии, 2005. – №2. – С.2-7.

18.              Родионова Н.В. Цитологічні механізми перебудов у кістках при гіпокінезії та мікрогравітації. – Київ: Наук. думка, 2006. – 239 с.

19.              Родионова Н.В., Оганов В.С. Бабак С.В. Нестеренко О.Н. Ультраструктурные изменения в остеогенных клетках при действии факторов космического полёта // Український морфологічний альманах. – 2008. – Т.6, № 1. – С. 219-220.

20.              Родионова Н.В., Оганов В.С. Цитологические механизмы развития остеопороза при действии факторов космического полёта // Проблемы остеологии. – Т.4 №1-2, Киев 2001. – 4, – С. 135-136.

21.              Родионова Н.В.Функциональная морфология клеток в остеогенезе. – Киев: Наук. думка, 1989. – 186 с.

22.              Родионова Н.В., Богданович Л.В. Колониеобразование стромальных клеток костного мозга крыс in vitro после экспериментальной гипокинезии // Укр. морф. альманах. – 2005. – № 1. – С. 53-55.

 

Последнее обновление: 16.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения