Как сердце переносит космические полеты: исследования ученых Пироговского Университета
Уникальные исследования воздействия перегрузок и невесомости на сердце человека ведут в Пироговском Университете. В будущем эти работы позволят создать специальные препараты, которые помогут избежать негативного воздействия полетов на сердечные клетки и преодолеть слабость космонавтов после пребывания на орбите.
Цель — сердце
Советские ученые давно изучали механизмы действия перегрузок (гипергравитации) и невесомости (микрогравитации) на организм и искали способы ослабить их воздействие. Однако многолетние исследования не привели к значимым результатам, рассказывает директор Института физиологии Пироговского Университета, профессор, доктор медицинских наук Андрей Глебович Камкин. Именно он в начале 1980-х предложил искать особые клетки или особые белки в их оболочках, чтобы целенаправленно воздействовать на их работу.
Эти клетки, по предположению ученого, должны были реагировать на механическое воздействие (например, перегрузку в полете) и превращать его в электрические потенциалы — образно говоря, «команды», заставляющие клетку активироваться. В качестве объекта исследований было выбрано сердце человека, в котором сочетаются электрическая и механическая активность.
«Сердце сокращается для выброса крови [в артерии] и расслабляется для поступления крови в его камеры. Поэтому большинство клеток при его сокращении испытывают сжатие, а при расслаблении и заполнении камер сердца кровью большинство из них растягиваются», — отметил собеседник агентства.
Проблема полетов
Работа сердца адаптирована к земной гравитации в 1g (единица ускорения свободного падения), и изменения условий влияют на его форму, внутреннее строение и физиологические особенности.
Серийный истребитель Су-35С может выполнять маневры с перегрузкой 9g — когда на машину действует сила, в девять раз превышающая обычную земную тяжесть. Это непосредственно влияет на состояние и здоровье летчиков. Перегрузки часто встречаются и у космонавтов во время баллистического (неуправляемого) спуска — в такие моменты они также могут достигать 8–9g, говорит Андрей Глебович.
Из-за перегрузок кровь отливает от головы, что приводит к циркуляторной гипоксии: ткани испытывают дефицит кислорода, который поступает в органы в недостаточном количестве или с запозданием. Из-за кислородного голодания мозга во время перегрузки человек может ненадолго потерять сознание.
Противоперегрузочный костюм повышает переносимость перегрузок, но полностью защитить организм не может, поясняет собеседник агентства.
Изменение в обратную сторону — снижение гравитационной нагрузки до уровня менее 1g, микрогравитация или невесомость в космосе — по словам Андрея Глебовича, приводит к атрофии сердца и снижению сердечной функции.
«Крепость» и «ворота»
Любая клетка нашего организма окружена тонкой эластичной оболочкой — мембраной, рассказывает Андрей Глебович. Мембрана похожа на стену крепости, в которой есть особые «ворота» — ионные каналы, через которые ионы попадают внутрь клетки и выходят наружу. Внутри «крепости» — высокая концентрация ионов калия, а снаружи — ионов натрия. Внутренняя поверхность мембраны отрицательно заряжена относительно внешней стороны. В результате между наружной и внутренней клеточной средой образуется разность потенциалов, объясняет Андрей Глебович. Так поддерживается потенциал покоя невозбужденных клеток.
Этот механизм действует как в нейронах головного мозга, так и в мышечных клетках сердца — кардиомиоцитах. Ионы постоянно движутся через «ворота» в мембранах туда и обратно — так в клетках создается электрический ток, который выражается в виде потенциалов действия.
«У сердца, например, возникающие потенциалы действия приводят к сокращению и расслаблению кардиомиоцитов (если сердце здоровое, то такое движение — автоматическое, ритмичное, непрерывное)», — поясняет Андрей Глебович.
Любой сбой в работе сердца связан с нарушением функционирования ионных каналов, механизмов их регуляции и, как следствие, с «перекосом» потенциалов действия (нервных импульсов). Именно на ионные каналы и направлено действие всех лекарств — чтобы уменьшить или, напротив, увеличить прохождение через них разных ионов.
Ионные каналы
Управляемые ионные каналы подразделяют на три вида:
- Потенциал-управляемые — открываются или закрываются при изменении мембранного потенциала (например, быстрые натриевые каналы в нервах и мышцах).
- Хемоуправляемые — активируются при воздействии лиганда (биологически активного вещества, препарата) на соответствующий рецептор, что меняет его активность.
- Механоуправляемые — реагируют на механическую деформацию мембраны клетки — растяжение или сдавливание.
Эти каналы играют ключевую роль в генерации и распространении потенциалов действия в нейронах, мышцах и сердце.
«Именно Пироговскому Университету принадлежит открытие механоиндуцированных потенциалов, в основе которых лежит работа механоуправляемых каналов клеток», — отметил Андрей Глебович.
«Механика» сердца
Работы исследователей Пироговского Университета внесли «существенный, если не определяющий, вклад в клиническую кардиологию», подчеркивает Андрей Глебович.
В 1983 году ученые Пироговского Университета доказали существование в сердце специфических клеток, выполняющих функцию механоэлектрических преобразователей, — сердечных фибробластов. При растяжении ткани их потенциал покоя смещался в отрицательном направлении, а в ответ на сжатие ткани при сокращении кардиомиоцитов — в положительном.
Фибробласты
Самые распространенные клетки соединительной ткани у животных и человека, которые отвечают за создание и поддержку внутреннего каркаса органов и кожи.
Кроме того, они генерируют собственные условные потенциалы действия — механоиндуцированные потенциалы.
«Позднее было показано, что кардиомиоциты, наоборот, реагируют на растяжение ткани смещением потенциала покоя в положительном направлении, при этом возникают экстрапотенциалы, и это приводит к преждевременному сокращению сердечной ткани, то есть экстрасистолии», — рассказывает профессор.
Экстрасистолия остается наиболее часто регистрируемым видом аритмий. В этот момент человек может ничего не почувствовать или же ощутить, как сердце сделало «лишний» удар, «перевернулось» и на миг «замерло».
«Как мы и предполагали, одним из механизмов в развитии аритмий и фибрилляции сердца являются механоуправляемые каналы кардиомиоцитов и фибробластов», — добавил Андрей Глебович.
Фибрилляция
Нарушение ритма сердечных сокращений, при котором кардиомиоциты сокращаются хаотично и нескоординированно. Из-за этого сердце перестает эффективно перекачивать кровь. Например, при гипертрофии миокарда (утолщении стенки сердца и увеличении его массы из-за длительной повышенной нагрузки или генетических нарушений) происходит механическое растяжение кардиомиоцитов. Ионные каналы начинают работать неправильно, потенциал покоя сердечных клеток меняется в сторону положительного заряда, что должно приводить к экстрасистолии. Но в это время у фибробластов сердца, наоборот, растяжение приводит к смещению потенциала покоя в отрицательном направлении.
«Кардиомиоциты и фибробласты связаны друг с другом электрической связью через специфические контакты — коннексоны, и происходящее выравнивание потенциалов не приводит к [немедленным] фатальным последствиям», — рассказал Андрей Глебович.
Вот почему человек с гипертрофией миокарда может жить несколько десятилетий. Однако если вначале его беспокоит лишь незначительный дискомфорт, то через годы появляется серьезная угроза для жизни.
«В 2000-х годах впервые была предложена модель работы сердца в норме и при патологии с учетом наличия механоуправляемых ионных каналов в кардиомиоцитах и фибробластах и взаимодействия этих клеток через коннексоны», — отметил Андрей Глебович.
Отечественным ученым удалось впервые в мире найти химические соединения, которые регулируют работу механоуправляемых каналов. С ними и нужно будет работать космической медицине будущего.
Наука помогать
«Для изучения гипергравитации мы разработали уникальную центрифугу, позволяющую моделировать перегрузки в широком диапазоне g, а для изучения микрогравитации использовали специальный метод ее моделирования в земных условиях», — рассказывает директор Института физиологии Пироговского Университета.
Благодаря таким разработкам ученым удалось показать, что перегрузка 4g в течение семи дней делает клетки сердца гораздо более чувствительными к растяжению. А это, в свою очередь, приводит к аритмиям.
И наоборот: моделируемая микрогравитация всего за неделю приводит к значительному уменьшению чувствительности кардиомиоцитов к растяжению. Из-за этого через механоуправляемые каналы клеток проходит значительно меньший ток — в клетки не попадает нужное для нормальной работы количество ионов, и в итоге сердечная мышца заметно ослабевает.
«Это приводит к известным последствиям, связанным с тем, что космонавтов из капсулы после спуска выносят на руках, и требуется время, чтобы их реабилитировать», — пояснил Андрей Глебович.
Полученные данные делают возможной разработку линейки перспективных препаратов, предотвращающих или ослабляющих действие гипергравитации либо устраняющих ее последствия за счет ингибирования (замедления работы) механоуправляемых каналов в клетках.
«И наоборот, стало возможно разработать химические соединения, применение которых на орбите активирует имеющиеся в клетках механоуправляемые каналы, что устранит негативный эффект невесомости», — подытожил Андрей Глебович.
