Молекулярно-генетические механизмы влияния факторов

Н.Н.Сиротинин –
организатор первой в
СССР лаборатории
космической биологии
Института физиологии
им. А.А. Богомольца
Молекулярно-генетические
механизмы воздействия факторов
длительного космического полета
на организм человека
Березовский В.А.
Институт физиологии им. А.А. Богомольца НАН Украины,
Киев
КОСМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ –
ИНТЕГРАТИВНАЯ ОБЛАСТЬ БИОЛОГИЧЕСКОЙ
НАУКИ
Задачи:
1. Исследование биологического действия
условий пребывания на борту космического
аппарата
(ускорения,
микрогравитация,
изоляция,
гипокинезия,
искусственная
атмосфера).
2. Исследование биологического действия
факторов
космического
пространства
(ионизирующая
радиация,
измененное
магнитное
поле, УФ-радиация, вакуум,
метеоритная опасность).
3. Исследование возможности существования
жизни на других небесных телах.
ГРАВИТАЦИОННАЯ ФИЗИОЛОГИЯ
•Исследования на крысах и обезьянах в полетах биоспутников
показали, что пребывание в невесомости приводит к
существенным, но обратимым функциональным, структурным и
метаболическим изменениям в мышцах, костях, миокарде и нейросенсорной системе млекопитающих.
•Описана феноменология и изучен механизм развития этих
изменений.
Влияние 45-суточной гипокинезии на активность
кислой и тартратрезистентной кислой
фосфатазы в сыворотке крови низко- и
высокоподвижных молодых крыс
А, МЕ/л
- высокоподвижные
80
- низкоподвижные
60
40
20
0
Вивар. Гипокин.
Гипокин. +
контр. в атм. возд гипоксия
Кислая фосфатаза
Вивар.
Гипокин.
Гипокин. +
группы
в атм. возд гипоксия
контр.
Тартратрезистентная кислая
фосфатаза
Индивидуальная чувствительность системы
внешнего дыхания к снижению Ро2 газовой
среды.
Физиологически активные факторы
космического полета
Предполетная подготовка
(сурдокамера;
ортостатическая нагрузка;
психологические тесты
Взлетный стресс
(гипергравитация)
Посадочный
стресс
Токсические компоненты
воздуха отсеков корабля
Радиационные повреждения
Невесомость
(нервный и вегетативные
реакции, вестибулярные
нарушения)
Изоляционный стресс
Оганов В.С., 2003
МПКТ, % 0
-2
1
2
3
4
5
6
7
-4
-6
-8
-10
Космонавты
Индивидуальные сдвиги минеральной плотности
костной ткани (в % к предполетному уровню) у
членов экипажей 6-9-й основных экспедиций на ОС
«МИР» после полетов длительностью 132-176 сут.
(Оганов В.С. и др., 1992).
Предполетная подготовка
первого космонавта
независимой Украины в
отделе клинической
патофизиологии
Института физиологии
им. А.А. Богомольца
Повышение
неспецифической
резистентности
организма достигается
путем преадаптации
методом прерывистой
нормобарической
гипокситерапии.
ОСНОВНЫЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
ПРЕРЫВИСТОЙ ГИПОКСИТЕРАПИИ
1. Стимуляция гемопоэтической активности костного
мозга.
2. Возрастание числа капилляров в активно
функционирующих тканях.
3. Увеличение кровоснабжения головного мозга,
миокарда и других метаболически активных органов.
4. Стимуляция секреции эндорфинов.
5. Увеличение альвеолярной вентиляции, снижение
альвеолярно-артериального градиента Po2.
6. Релаксация гладких мышц бронхиол и кровеносных
сосудов резистивного типа (бронходилятация,
вазодилятация).
7. Снижение нагрузки на сердечно-сосудистую систему.
8. Подавление аллергических реакций, депрессивных
состояний.
9. Стимуляция процессов ремоделирования костной
ткани.
10. Повышение общей неспецифической резистентности
организма.
Відсоткове відхилення від контролю
Процесс адаптации организма человека к
условиям космического полета
Індекс детренованості серця
Вихідний рівень показників
Втрати кісткової маси
Втрати вмісту води
Втрата маси м`язів
Місяці
НЕЗВОРОТНІ ПРОЦЕСИ
КЛІНІЧНИЙ ГОРИЗОНТ
НЕЙРОВЕСТИБУЛЯРНА СИСТЕМА
СЕРЦЕВО-СУДИННА СИСТЕМА
РІДИНИ ТА ЕЛЕКТРОЛІТИ
0g
МАСА ЕРИТРОЦИТІВ
1g
1Т
2Т
3Т
4Т
Час після польоту
2М
3М
Динамика темпа физиологичных изменений на протяжении реадаптации к 1 g в системах
организма, показатели деятельности которых по возвращении к условиям земной гравитации
минимально зависимы от длительности пребывания в состоянии невесомости.
Невагомість
Початкові зміни у
деформації
тканин
Зменшена чутливість
рецепторів
Зміни
вмісту води
Втрата вмісту
води
Метаболічні
зміни
Початкові
відповіді
(тижні)
Морфологічні
зміни
Нейровестибулярні
зміни
ЗВО ↓
РП ↓
ЕЦР↓
Зміни
ендокринної
функції
Гемодинамічні
зміни
Білковий синтез ↑
АКТГ ↓
Ангіо І ↑
ЗР ↓
ЧП ↑
ЦВТ↓
ЧКК ↓
ЗР
Адаптаційний
процес
(місяці)
Втрати маси
кісткової та
м`язевої тканин
Зневоднення;
Анемія; Змінена
імунна відповідь
Функціональні
зміни ЦНС
Основные адаптационные изменения организма человека к невесомости. Первая фаза имеет место в начальные 3-6 недель
полета. Вторая фаза начинается после нескольких месяцев в космосе и характеризуется потерями массы костной и
мышечной ткани, изменениями функций нейротрансмиттеров и рецепторов, вероятными снижением иммунного ответа и
функций ЦНС. АКГТ- адренокортикотропный гормон, Ангио И – ангиотензин И, ЦВТ- центральное венозное давление,
ЕЦР- экстрацеллюлярная жидкость, ЧП- частота пульса, РП- уровень плазмы, ЗВО- общая вода организма, ЧККэритроциты, ЗР- общая резистентность.
900
800
700
600
предполетные
R+0a
1
2
Изменение постуральной стабильности в 16 астронавтов после 4 -10
суток полета Космического Шатла. Постуральная стабильность
оценивалась на основании 6 независимых тестов. Максимально
возможный показатель – 1000. Средний показатель для популяции –
798 (тонкая линия). Половинный процент норматива для популяции–
704 (толстая линия). R+0a характеризует средний показатель
равновесия через 2,5 часа по возвращении на Землю.. По оси ординат
– суммарный показатель регуляции равновесия.
РАДИОБИОЛОГИЯ
Облучение крыс во время полета
биоспутника “Бион-2” с помощью Ce137
в дозах, приводящих к развитию
лучевой болезни, не выявило сколь-либо
существенного
модифицирующего
влияния
невесомости
на
течение
лучевой патологии и пострадиационное
восстановление.
Филогенез реакции организмов на
ионизирующее излучение
Устойчивость организмов к воздействию радиации тем меньше, чем
выше уровень их эволюционного развития
Деструктивное воздействие
высокоэнергетических частиц
При космическом излучении частицы с высокой энергией, что проникает в
ткани тела и теряют свою энергию, ионизируют атомы вдоль пути пробега и
таким образом разрушают клетки ткани. На микрофотографии показан след
частицы с атомным номером Z=24±2 [титан, ванадий, хром, марганец или
железо]
Радиационные повреждения носителей
наследственности
Хромосомные аберрации, вызванные облучением 300 сГр. Клетки мышиных
эмбрионов (СЗН10Т1/2) были облучены в фазе G1, метафазные хромосомы
проверялись в первом митозы после облучения. Показано фрагменты хромосом
и кольцевые образования.
Нарушения
Замещения
Разрывы
Хроматидные аберрации
Доза, Гр
Реакционные кривые для хромосомных аберраций в клетках мышиних эмбрионов (СЗН10Т1/2)
облученных 600 Fe56 MeV/u. По оси ординат - число аберраций на 1 клетку. По оси абсцисс
сумарная доза облучения.
400
HIF-1, нм/мг
актина
350
300
250
200
150
100
50
0
1
N
2
I
3
II
Степень
ишемии
Интенсивность экспрессии HIF-1а в зависимости от
степени ишемии нижних конечностей.
EXPRESSION / SUBCELLULAR LOCALIZATION
EXPRESSION (based
on Unigene)
198 libraries where
HIF1A expressed
2.31 average number
of ESTs/Library
0.96 average percent
of ESTs/Library
expressed in
organ(s)
System
Organ 1
Cardiovascular
heart
highly
Urinary
kidney
highly
System
Cell
cells
chondrocyte
organ 2
organ 3
organ 4
level
http://www.ncbi.nlm.nih.gov,
Gene Entrez
НАПРАВЛЕНИЯ БУДУЩИХ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В КОСМОСЕ
•
•
•
•
•
•
Молекулярные и клеточные механизмы адаптации к условиям
невесомости.
Особенности онтогенеза при многократной репродукции живых
систем в условиях невесомости.
Зависимость функциональных, структурных и метаболических
изменений в организме от длительности пребывания в условиях
невесомости.
Особенности
протекания
патологических
процессов,
заболеваний и травматических повреждений в условиях
невесомости.
Отдаленные
последствия комбинированного действия на
организм длительной невесомости и повышенного
уровня
ионизирующей радиации.
Условия
возникновения
и распространения жизни во
Вселенной.
ЖИЗНЬ В КОСМОСЕ
РАДИ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
“ Нетрудно видеть, что развитие космической биологии послужит
не только целям межпланетных путешествий и освоению
человеком космоса. В перспективе космическая биология
будет способствовать построению наиболее общих концепций
биологии, касающихся проблемы жизни вообще”.
Н.М.Сисакян, О.Г.Газенко, А.М.Генин
“Проблемы космической биологии”, изд. АН СССР,1962,с.26
Присуждена Нобелевская премия по медицине
Нобелевскую премию за открытия в области медицины и физиологии
получили в равных долях американские ученые Эндрю Файр и Крэйг
Меллоу за открытие механизма контроля функций генов, осуществляемого
рибонуклеиновой кислотой.
Как отмечается на сайте Нобелевского комитета, Эндрю Файр родился в 1959
году. Он работает на кафедре патологии и генетики Стэнфордского
университета. Профессор Меллоу родился в 1960 году. Он занимается
молекулярной медициной в Университете Массачусетса.
РНК-интерференция ("заглушение", "нейтрализация") отдельных генов на
этапе синтезирования белков и передачи генетической информации,
"открывает захватывающие возможности для использования ее в генной
инженерии", поясняет свое решение Нобелевский комитет. "Этот метод
(РНК-интерференции) уже стал важным инструментом исследований в
биологии и биомедицине. Есть основания надеяться, что в будущем он будет
использоваться во многих дисциплинах, включая клиническую медицину и
сельское хозяйство", - отмечается в пресс-релизе.
Ученые уже осуществили несколько успешных опытов "нейтрализации"
генов на животных. В частности, такой опыт был проведен с "заглушением"
гена, "ответственного" за высокий уровень холестерина в крови. Механизм
"заглушения", полагают специалисты, можно использовать для лечения
вирусных инфекций, сердечно-сосудистых заболеваний, рака, эндокринных и
некоторых других болезней.
Andrew Z. Fire
Craig C. Mello