Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Гематология
Направление НПИ: 3. Человек в космосе
Секция КНТС: 1. Космическая биология и физиология
Наименование эксперимента: Исследование морфофункциональных свойств клеток крови и интенсивности эритропоэза у человека при воздействии факторов КП
Цель эксперимента:

Целью эксперимента является получение новых данных о влиянии факторов космического полета на систему красной крови человека с целью расширения ее диагностических и прогностических возможностей, выявления механизмов возникновения сдвигов в гематологических показателях (“космическая анемия”, лимфоцитоз) и выдача рекомендаций о необходимости использования профилактических и фармакологических средств, коррегирующих неблагоприятное влияние условий космического полета и раннего периода реадаптации к земным условиям.

Описание эксперимента:

Задачами космического эксперимента являются:

- изучение содержания гемоглобина;

- исследование показателей обмена железа и содержания эритропоэтина

- изучение метаболизма эритроцитов и состояния мембраны;

- исследование формы эритроцитов;

Исследование проводили у членов российских экипажей основных экспедиций МКС-6?МКС-12 до полета, в условиях КП и после их завершения. Фоновое обследование до полета проводили за 30 дней до старта; в условиях полета - в начале полета (6-10-е сутки) и на завершающем этапе (160-190-е сутки); после полета - на 0-е, 7-е, 15-е сутки.

В ходе эксперимента на борту МКС осуществлялось взятие пальцевой крови для определения содержания гемоглобина, исследования формы эритроцитов, а также проводили забор венозной крови, с последующим разделением ее на форменные элементы и плазму и замораживанием в холодильнике «КРИОГЕМ-03». Перед возвращением на Землю образцы плазмы и форменных элементов крови помещали в теплоизолирующий контейнер «КВ-03» и в замороженном виде доставлялись в лабораторию для последующих исследований

Новизна эксперимента:

Настоящее исследование предполагает комплексное изучение параметров системы крови, включающее в себя функциональное состояние эритроцитов, электронно-микроскопическое исследование формы эритроцитов, изучение показателей обмена железа и интенсивности эритропоэза (образование красных кровяных телец) в условиях космического полета.

Научная аппаратура:

При проведении эксперимента использовали следующую аппаратуру:

для изучения формы эритроцитов:

- укладка "Эритроцит" с пробирками, содержащими фиксирующий раствор;

- комплект принадлежностей "Рефлотрон-4";

- укладка "Рефлотрон-4";

- укладка "ЗАЩИТА-МБИ".

для определение содержания гемоглобина:

- анализатор “РЕФЛОТРОН-4”;

- укладка "Рефлотрон-4";

-комплект принадлежностей укладки “РЕФЛОТРОН-4”

- комплект пластин измерительных "Рефлотрон-4"; забор венозной крови (для исследования метаболизма эритроцитов, показателей обмена железа, содержание эритропоэтина) проводили, используя

- комплект принадлежностей “ПЛАЗМА-03”(из состава комплекса “ПЛАЗМА-03”);

- комплект расходных материалов “ПЛАЗМА-03” - салфетки, иглы “Бабочка”, шприцы SARSTED c антикоагулянтом К-ЭДТА;

- центрифуга “ПЛАЗМА-03” (из состава комплекса “ПЛАЗМА-03”) для разделения крови на плазму и форменные элементы;

- холодильник “КРИОГЕМ-03” (из состава комплекса “ПЛАЗМА-03”) для замораживания и хранения проб крови на борту;

- теплоизолирующий контейнер “КВ-03” для возврата проб крови на Землю в замороженном состоянии.

Ожидаемые результаты:

В настоящем исследовании впервые будут получены данные, позволяющие в комплексе оценить состояние системы крови в условиях космического полета. При этом особое внимание будет уделено исследованию непосредственно эритроцитов, структурно-функиональных свойств их мембран - по показателям внутриклеточного обмена, липидной композиции мембраны, интенсивности процессов перекисного окисления липидов и активности антиоксидантной системы.

Анализ полученных результатов позволит выявить механизмы адаптации системы крови к факторам космического полета, расширить комплекс диагностических и прогностических критериев оценки состояния человека при экстремальных воздействиях.

Полученные данные могут быть использованы при мониторинге состояния системы крови у космонавтов, выполняющих космические полеты, у лиц, находящихся в экстремальных состояниях, а также использованы для разработки профилактических и фармакологических средств корригирующих нарушения в системе крови в этих условиях.

Исследования позволят перевести изучение анализа морфологической картины крови в штатное средство медконтроля.

Полученные результаты:

Полностью исследование по программе эксперимента «Гематология» было проведено у российских членов экипажа с 6 по 10 экспедицию МКС. У члена экипажа МКС -11 взятие пальцевой и венозной крови по программам научных экспериментов не проводилось. У российского члена экипажа МКС-12 проводили забор только пальцевой крови для изучения формы эритроцитов, при этом содержание гемоглобина не определяли из-за технических неполадок анализатора "Рефлотрон-4".

Исследования показали, что в условиях космического полёта на 7-е сутки у трех обследованных космонавтов наблюдали тенденцию к увеличению содержания гемоглобина, что, вероятно, обусловлено увеличением гемоконцентрации в связи с повышением процессов дегидратации организма. На завершающем этапе КП содержание гемоглобина снижалось по сравнению с фоновыми данными, это снижение отмечали и в период реадаптации космонавтов к земным условиям - на 7-е и 15-е стуки послеполетного периода. В тоже время не было выявлено статистически достоверных изменений. При изучении показателей обмена железа было обнаружено, что наибольшим изменениям у всех космонавтов подвергается содержание сывороточного железа. Уровень железа в крови снижался по сравнению с фоновыми данными как в ходе КП, так и в реадаптационный период при этом более выраженным снижение содержания железа наблюдали на завершающем этапе КП и на 7-е, 15-е сутки восстановительного периода (статистически достоверное).

Исследование содержания эритропоэтина (ЭПО)) не выявило однозначной картины изменений, что не позволило провести статистическую обработку полученных данных. Так, в условиях КП в начале полета у двух из 3-ех космонавтов уровень ЭПО несколько повышался, а у одного не изменялся. На завершающем этапе КП из 4-ех космонавтов значительное повышение содержания ЭПО у одного сопровождалось практически неизменным уровнем у других. На 0-е сутки наблюдали повышение содержания ЭПО, которое продолжалось и на 7-е сутки. Следует отметить, что полученные результаты не выявили значимого уменьшения уровня ЭПО в условиях КП. Несмотря на малочисленность полученных данных и их значительный индивидуальный разброс можно предположить следующее. В обычных физиологических условиях снижение содержания гемоглобина приводит к уменьшению снабжения тканей кислородом и развитию тканевой гипоксии, которая. воздействуя на почечные сенсоры, усиливает продукцию ЭПО. Такую картину мы наблюдали у космонавтов в период реадаптации. Сниженное в этот период содержание железа может быть связано с усилением процессов гемоглобинообразования. При действии микрогравитации в условиях КП регуляция процесса гемоглобинобразования при пониженной потребности организма в кислороде, вероятно, связана с другими механизмами, при этом снижение содержания железа в этом случае может быть обусловлено и недостаточным усвоением его.

В период реадаптации несмотря на интенсификацию эритропоэза значения величины гемоглобина и количества эритроцитов остаются ниже фоновых величин. Активация эритропоэза – сложный процесс реализация его осуществляется через активацию симпато-адреналовой системы, эритропоэтической функции макрофагов костного мозга, одновременного усиления диереза старых и некачественных эритроцитов - все это приводит к повышению чувствительности костного мозга к эритропоэтину и стимулирует эритропоэз. Снижение уровня эритроцитов и содержания гемоглобина может быть связано с преждевременным удалением части морфологически измененных эритроцитов из кровяного русла. Элиминация эритроцитов осуществляется путем активации макрофагальной системы, выявленной у обследуемых в длительной АНОГ Так, исследование содержания иммуноглобулинов класса G, A и М на поверхности эритроцитов выявило значительное увеличение их в первые две недели после приземления, при этом наиболее существенным было повышение иммуноглобулина G c 28,5 до 1363,5 мол/эритр. на 7-е сутки периода реадаптации. Можно предположить, что развитие эритроцитопенического синдрома в первые две недели после КП, несмотря на выраженную ретикулоцитарную реакцию, может быть обусловлено преждевременным удалением части, возможно, некачественных эритроцитов из кровяного русла.

Исследование цитоархитектоники эритроцитов.

На 7-10-е сутки КП было обнаружено уменьшение % содержания нормальных форм эритроцитов - дискоцитов. Выраженное по сравнению с фоновыми данными снижение дискоцитов выявлено на завершающем этапе полета и сразу после завершения КП. Тенденция к нормализации начинается с 7-х суток. Уменьшение доли дискоцитов. в условиях КП происходит за счет увеличения необратимых форм клеток – стоматоцитов и книзоцитов, а после завершения КП увеличивается процентное содержание эхиноцитов. Трансформация форм эритроцитов имеет место при гематологических заболеваниях, а у здоровых людей при изменении состава плазмы ее липидных компонентов, электролитов, рН и др. Первая стадия трансформации – появление эхиноцитов, которые при нормализации внешней среды вновь превращаются в дискоциты, вторая стадия – необратимая трансформация – появление сфероцитов, книзоцитов, кодоцитов и других патологических форм, которые секвестрируются в селезенку или печень. В сохранении дискоидной формы клетки значительную роль играют уровень внутриклеточной АТФ и липидный состав мембраны. Низкий уровень АТФ и холестерина приводят к появлению необратимых форм, а повышение холестерина при сниженном процентном содержании фосфолипидов приводит к появлению эхиноцитов.

Результаты исследования метаболизма эритроцитов свидетельствуют о том, что в условиях КП на начальном и на завершающем этапе было обнаружено значительное снижение уровня АТФ. Возможно, что это уменьшение обуславливает изменения на мембранном уровне, о чем свидетельствуют данные о наличии трансформированных форм эритроцитов. Все это может быть связано с преобладанием в кровяном русле популяции старых эритроцитов.

Изучение содержания лактата обнаружило повышение его на завершающем этапе КП и свидетельствует о превалировании анаэробных процессов в организме. Менее выраженное повышенное содержание лактата сохраняется и период реадаптации.

При исследовании содержания восстановленного глутатиона, являющегося важным клеточным метаболитом антиоксидантного действия было показано уменьшение его на начальных этапах КП, затем некоторое повышение в конце КП и совершенно четкое снижение этого показателя на 7-е сутки ПР. Ранее при обследовании экипажей было продемонстрировано, что достоверное снижение уровня восстановленного глутатиона коррелирует с активацией процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ), снижением активности ферментов антиоксидантной системы и содержания токоферола. Данные, полученные при исследовании липидного и фосфолипидного спектра спемембран эритроцитов свидетельствуют о возможной интенсификации процессов липопереоксидации. В условиях полета не было обнаружено существенных изменений в относительном содержании свободного холестерина (СХ), в тоже время была отмечена тенденция к снижению относительного содержания фосфолипидов (ФЛ), что отразилось на некотором повышении коэффициента ХС/ФЛ. В период реадаптации снижение % содержания ФЛ продолжалось, а доля СХ повышалась, что привело к увеличению коэффициента ХС/ ФЛ, при этом пик этого увеличения приходится на 7-е сутки периода восстановления на Земле, тенденция к нормализации была отмечена на 15-е сутки.

Увеличение коэффициента ХС/ ФЛ свидетельствует о повышении микровязкости мембраны, что может приводить к нарушению способности клеток к деформируемости и тем самым к повышению вязкости крови и изменению ее реологических свойств.

При исследовании фракционного состава ФЛ на 7-е сутки после КП обнаружено существенное снижение ФЭА, легко окисляемой фракции, жирные кислоты которой являются субстратом для процессов ПОЛ. Полученные данные согласуются с единичными литературными сведениями, характеризующими биохимические параметры и архитектонику эритроцитов в условиях космических полетов. Так, снижение гликолитических ферментов и появление трансформированных форм эритроцитов (эхиноцитов, стоматоцитов, книзоцитов и лептоцитов) было обнаружено американскими исследователями при обследовании 3-х экспедиций ОС «Скайлэб». При этом наблюдаемое уменьшение эритроцитарной массы объясняли возможным физиологическим процессом гипорегенерации эритропоэза, не исключая вероятность преждевременного удаления эритроцитов из кровяного русла. Наличие метаболических сдвигов и измененных форм клеток (появление сфероцитов) было выявлено у экипажей ОС «МИР» при участии врача-космонавта В. В.Полякова. В этих же исследованиях при изучении морфологической картины крови было выявлено увеличение количества ретикулоцитов на 160 -200-е сутки полета, что свидетельствует об отсутствии уменьшения интенсивности эритропоэза. Как уже указывалось выше уменьшение эритроцитарной массы сопровождалось повышенным содержанием эритропоэтина в конце полета, указывающим на отсутствие пониженной интенсивности эритропоэза у астронавтов Шаттла - SLS-1, SLS-2.

Обнаруженные в условиях КП сдвиги в метаболическом статусе красных кровяных клеток, наличие дестабилизации клеточной мембраны по данным липидного и фосфолипидного состава и появлению трансформированных форм эритроцитов наряду с отсутствием выраженного снижения эритропоэтина, свидетельствуют о возможном превалировании в кровяном русле популяции старых или некачественных эритроцитов с укороченным сроком жизни, подлежащей преждевременной элиминации.

Предварительные результаты, полученные в КЭ «Гематология» свидетельствуют о том, что полученный эффект по воздействию факторов КП совпадает с ожидаемым. Так, подтверждается предположение о том, что этиология “космической анемии” многофакторна и обусловлена не только функциональным снижением интенсивности эритропоэза. Снижение количества эритроцитов может быть связано и с активацией неэффективного эритропоэза, нарушением обмена железа, со сдвигами метаболического статуса клеток и дестабилизацией клеточной мембраны, что может приводить к преждевременному удалению эритроцитов из кровяного русла.

ВЫВОДЫ

1. Обнаруженные сдвиги в морфобиохимических параметрах красной крови и интенсивности эритропоэза на начальных этапах КП свидетельствуют о возможном формировании нового уровня эритропоэза, с параметрами, характерными для условий микрогравитации.

2. Снижение содержания гемоглобина и возможно и количества эритроцитов при длительном воздейстивии фактров КП обусловлено не только отсутствием активации эритропоэза но и возможным преждевременным удалением части некачественных (возможно старых) эритроцитов из кровяного русла, о чем свидетельствуют результаты исследования метаболизма красных клеток крови и состояния клеточной мембраны.

3. Уменьшение содержания железа в крови в условиях КП при возможном отсутствии активного эритропоэза может быть связано со снижением его усвояемости организмом.

4. Стимуляция эритропоэза ( повышение эритропоэтина, сниженный уровень железа в крови, удаление некачественных и старых эритроцитов) в период реадаптации направлена на поддержание оптимального уровня красных кровяных телец, необходимого для возросшего кислородного запроса тканей в условиях земной гравитации и усиления мышечной нагрузки.

5.Предложения по направлению дальнейших исследований и их обоснование.

Имеющиеся литературные данные, а также наши исследования как ранее проведенные, так и в эксперименте «Гематология» малочисленны, характеризуются значительной индивидуальной вариабельностью, что не позволяет сделать однозначный вывод о состоянии эритропоэтической активности костного мозга и снижении количества эритроцитов в условиях космического полета. Учитывая важную роль эритрона в поддержании оптимального снабжения организма кислородом необходимо детальное изучение параметров, характеризующих клеточные и регуляторные механизмы адаптации красной крови при длительном воздействии факторов космического полета.

Обнаруженные морфо-биохимические изменения в эритроцитах указывают на возможное нарушение газотранспортной функции красной крови. Ключевым звеном в процессе транспорта кислорода является гемоглобин. Как следует из литературных данных, одной из причин изменения эффективности связывания гемоглобина с кислородом является нарушение проницаемости плазматической мембраны. Известно, что молекула кислорода липофильна и легко проникает через липидный бислой мембраны эритроцита. Изменение физико-химических свойств плазматической мембраны эритроцита ( микровязкость ) влияет не только на эффективность переноса молекулы кислорода в клетку, но и на состояние мембраносвязанного гемоглобина.

Другим фактором нарушения кислородного баланса может быть изменение конформации гемопорфирина гемоглобина и содержание комплексов с кислородом и NO.Предварительные исследования показали, что при воздействии факторов длительного КП выявлены характерные изменения формы эритроцита. Морфологические особенности эритроцита конкретизируются изменениями диаметра, содержанием гемоглобина и его концентрацией, а также толщиной и объемом клетки. Эритроцит имеет форму двояковогнутого диска, что оптимально для реализации процесса диффузии кислорода внутрь клетки. При сферической форме эритроцита центральная часть клетки менее насыщена кислородом, чем поверхностные слои. Кроме того, в данном случае эритроцит теряет возможность быстро и обратимо менять свою конфигурацию и свободно проходить по капиллярам и в синусы селезенки. Это может существенно повлиять на продолжительность его жизни [6-7]. Обнаруженное в условиях длительного КП снижение числа дискоцитов и увеличение трансформированных форм (сфероцитов, стоматоцитов, книзоцитов, эхиноцитов) сохраняется и в первые дни после завершения КП. Проведенные предварительные исследования показали, что сразу после длительного КП средний объем и толщина эритроцита увеличивается, сферичность растет, а средняя площадь поверхности снижается. Воздействие факторов длительного КП влияет не только форму клетки, но и на электрофоретическую подвижность молекулы гемоглобина, что, вероятно, сопровождается изменениями в перераспределении белка в цитоплазме.

Ранее показано, что при сердечно-сосудистой патологии наблюдаются характерные изменения формы, объема эритроцита, а также вязкости и проницаемости плазматической мембраны клетки. Это сопровождается изменением эффективности переноса гемоглобином кислорода и приводит к развитию клеточной гипоксии в нейронах мозга, клетках периферических нервов, мышечных клетках сердца и сосудов. Наблюдаемые при ДКП сдвиги в морфо-биохимических свойствах эритроцитов не имеют патологической направленности, а отражают компенсаторные процессы, поддерживающие структурную целостность клетки. В то же время изучение механизмов формирования клеточной гипоксии после длительного КП представляет особый интерес.

В связи с вышесказанным перспективными являются следующие исследования:

- продолжение изучения параметров, характеризующих процессы физиологической регенерации эритропоэза (содержание эритропоэтина, показатели обмена железа) и функциональное состояние эритроцитов (по показателям метаболизма и изменениям плазматической мембраны).

- изучение кислородотранспортной функции эритроцитов (по показателям вязкости, проницаемости мембраны и изменениям конформации гемопорфирина гемоглобина и эффективности сброса и удерживания гемоглобином кислорода).

Сроки проведения: Экспериментальные данные получены в период экспедиций МКС-3 - МКС-12 в 2003 - 2006 годах.
Состояние эксперимента: Завершен
Организация постановщик: ГНЦ РФ-ГНЦ РФ-ИМБП РАН
Организации участники: ФГУП ЦНИИмаш; СКТБ «Биофозприбор»; Государственный Университет г.Тверь, кафедра физиологии; РКК "Энергия" им. СП. Королёва; РГНИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина.
Научный руководитель: Иванова С. М., ГНЦ РФ-ИМБП РАН, в.н.с.
Публикации по эксперименту:

1.А.И.Григорьев, С.М. Иванова, Б.В. Моруков, Г.В.Максимов О формировании клеточной гипоксии при действии факторов длительного космического полета // Доклады АН, Биохимия, Биофизика, Молекулярная биология, 2008,т.422,N6,С.823-826

2.Иванова С.М. Система крови в условиях космических полетов и после их завершения // В кн. Орбитальная станция «МИР»,2002, т.2, С.159-196

3. Иванова С.М., Моруков Б.В., Ярлыкова Ю.В., Лабецкая О.И., Левина А.А., Козинец Г.И. Состояние красной крови у мужчин при длительной антиортостатической гипокинезии (АНОГ)// Авиакосм. и эколог. мед. 2005г,.Т.39, №6, С.17-22.

4. Иванова С.М., Моруков Б.В., Лабецкая О.И., Ярлыкова Ю.В., Левина А.А., Козинец Г.И. Морфобиохимические исследования системы красной крови у членов экипажей основных экспедиций на Международную космическую станцию.// Авиакосм. и эколог. мед. 2006, т.40, №3, С.9-16

5.Поляков В.В., Иванова С.М., Носков В.Б. и др. Гематологические исследования в условиях длительных космических полетов// Авиакосмическая и экологическая медицина. 1998. №2. С.9-18.

6.Реутов В.П., Сорокина Е.Г., Охотин В.Е., Косицын Н.С. Циклические превращения оксида азота в организме млекопитающих. М. Наука. 1997.

7.Родненков О.В., Максимов Г.В., Чурин А.А., Рубин А.Б., Ткачук В.А, Чазов Е.И. Влияние интервальной гипоксической тренировки на способность гемоглобина связывать кислород у больных ишемической болезнью сердца// Кардиология. 2001. №6. С.8-12.

8.Grigoriev A.I., Maksimov G.V., Morukov B.V., Ivanova S.M., Yarlikova Yu.V., Luneva O.G., Vlyanova N.A., Parshina E.Yu., Rubin A.B.Investigation of erythrocyte shape, plasma membrane fluidity and conformation of hemoglobin hemoporphyrin under the influence of long-term space flight// Journal of Gravitational Physiology, 2004, v.11, №2, Р.79-80.

9.Rodnenkov OV, Luneva OG, Ulyanova NA, Maksimov GV, Rubin AB, Orlov SN,Chazov EI. Erythrocyte membrane fluidity and haemoglobin haemoporphyrin conformation: features revealed in patients with heart failure. Pathophysiology. 2005 May;11(4), Р.209-213.

10. Weiss G., Houston T. et al. Regulation of cellular iron metabolism by erythropoietin// Blood. 1997. v.89. №2. Р.680-687.

Последнее обновление: 15.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения