Медицинские технологии: как вызовы космоса делают человечество сильнее
Олег Кононенко
Эксперимент "Структура": получение идеального кристалла белка
Форма и структура молекул белка определяет все биологические процессы в организме. Для их изучения используется метод рентгеноструктурного анализа, требующий совершенного монокристалла — крупного, чистого, с безупречной внутренней решеткой. На Земле сила тяжести, приводящая к осаждению более тяжелых молекул, не позволяет получить такие кристаллы: они растут деформированными, мелкими, непригодными для точного анализа. В условиях же микрогравитации молекулы белка в растворе равномерно распределяются и без помех стыкуются друг с другом, формируя крупные и безупречно упорядоченные кристаллы.
В ходе эксперимента "Структура" на МКС используется компактная аппаратура "Луч-2М". Космонавт с помощью механического привода запускает заранее запрограммированную температурно-временную циклограмму, которая инициирует и контролирует процесс кристаллизации. Полученные в космосе идеальные кристаллы возвращаются на Землю для детального изучения и "расшифровки". Эксперимент доказал, что в невесомости можно кристаллизовать белки, которые не поддаются кристаллизации в земных условиях.
Эксперимент "Структура" направлен на развитие базовых технологий для превращения орбитальных станций в уникальные научные фабрики, что в перспективе позволит не только глубже понять фундаментальные основы жизни, но и решать прикладные задачи. Например, можно будет с компьютерной точностью создавать "идеально подогнанные" лекарственные молекулы, блокирующие целевые белки вирусов или раковых клеток, а также конструировать искусственные белки для синтетической биологии, "зеленой" химии и новых материалов.
Эксперимент "Статокония": моллюски и их вестибулярная система
Живой организм "понимает" свое положение в пространстве благодаря сложным аппаратам. Например, у брюхоногих моллюсков, таких как виноградная улитка, есть "орган равновесия" — статоцист. Внутри него плавают микроскопические кристаллы — статоконии, похожие на кристаллы во внутреннем ухе человека, которые под действием силы тяжести давят на чувствительные клетки, помогая моллюску определить, где верх, а где низ.
В ходе эксперимента "Статокония" у части моллюсков перед стартом искусственно удаляли старые статоконии. Животных доставляли на МКС в герметичных контейнерах и на орбите изучали рост новых кристаллов, сформированных в условиях невесомости. После возвращения на Землю с помощью электронных микроскопов изучали малейшие изменения в структуре и химическом составе статоконий.
Эксперимент показал, что статоконии продолжали формироваться в космосе, в отсутствии гравитации, но их структура нарушалась: вместо гладких кристаллов образовывались пористые образования неправильной формы, а минеральный состав отличался от нормы. Это можно рассматривать как сбой в росте, но и как возможную адаптацию к невесомости.
Значимость эксперимента выходит за рамки биологии. Его результаты помогают прогнозировать проблемы с координацией у космонавтов в длительных полетах, а также лучше понимать причины земных заболеваний, связанных с нарушением равновесия.
Эксперимент "Регенерация": заживление в невесомости
В ходе эксперимента изучалось влияние невесомости на способность планарий и улиток восстанавливать органы и ткани. Перед полетом с животными провели "хирургические операции": у улиток ампутировали щупальца с глазами, кусочки ноги и выпиливали фрагменты раковины, а планарий, обладающих фантастической способностью к регенерации благодаря стволовым клеткам, разрезали на несколько частей, включая продольное рассечение пополам. Затем эти "пациенты" отправились на орбиту в специальных контейнерах.
После возвращения на Землю ученые сравнили "путешественников" с контрольной "земной" группой. Результаты оказались одновременно обнадеживающими и заставляющими задуматься. Планарии полностью регенерировали из фрагментов, но у продольно разрезанных особей новая половина тела выросла искривленной. Это указывает на ключевую роль гравитации в правильном формировании сложной структуры организма.
Почти все улитки отрастили щупальца (иногда с реагирующими на свет глазами), но часто с деформациями. Регенерация ноги прошла нормально, а вот раковина восстановилась с дефектом — без защитного слоя и с низким содержанием кальция, что говорит о нарушении построения минеральных структур в космосе.
Исследование показало, что регенерация в космосе возможна, но ее качество снижено. Это создает риск для здоровья в длительных полетах и требует разработки специальных мер защиты. Для земной же медицины эксперимент помог понять, как внешние условия управляют стволовыми клетками и восстановлением сложных тканей, что важно для регенеративной терапии и изучения таких болезней, как остеопороз.
Эксперимент "Перепел": зачем выводят птенцов на орбите
Цель этого исследования — изучение влияния невесомости на ранние этапы эмбрионального развития птиц. Выбор пал на эмбрионы японского перепела благодаря их короткому циклу развития, изученности — первые птенцы были выведены на станции "Мир" еще в 90-е годы — и удобству транспортировки.
Инкубатор на МКС, в котором выводились птенцы, был разделен на две секции: "Гравитация", где создавалась искусственная сила тяжести с помощью центрифуги, и "Невесомость". Это позволило одновременно сравнивать развитие в противоположных условиях. Изучение велось в четыре ключевых периода развития эмбрионов (4-е, 7-е, 10-е и 15-е сутки), когда происходят наиболее важные преобразования. На Земле проводился идентичный контрольный эксперимент, что помогло отделить влияние невесомости от других факторов космического полета.
Эксперимент направлен не только на решение практических задач (например, обеспечение питания в длительных полетах), но и на фундаментальное понимание роли гравитации в зарождении жизни. Его успех может стать шагом к созданию устойчивых биологических систем, необходимых для межпланетных миссий.
Эксперимент "БИМС": медицинская подготовка к полету на Марс
"БИМС" расшифровывается как "Бортовая информационно-медицинская система", ее цель — решить две жизненно важные задачи: обеспечить медицинскую безопасность космонавтов и исследовать влияние космоса на человека. Качество данных эксперимента критически важно.
Система передает данные, например, УЗИ глаз, по каналам связи МКС в режиме, близком к реальному времени. На Земле, в Центре управления полетами, врач в системе "БИМС" видит на своем экране то же самое, что видит космонавт на бортовом УЗИ-аппарате. В результате врач ставит диагноз или оценивает состояние организма так, будто проводил исследование сам.
До появления таких систем, как "БИМС", врачи получали информацию с большой задержкой, как правило, с возвращающимся на Землю экипажем. "БИМС" превратила процесс диагностики в живой интерактивный диалог. Система уже стала рабочим инструментом на борту МКС и доказала, что можно оказывать качественную медицинскую помощь на расстоянии.
"Магнитный 3D-Биопринт": печать органов в невесомости
Эксперимент "Магнитный 3D-биопринтер" может кардинально изменить подход к созданию живых тканей. На Земле гравитация мешает процессу послойной печати сложных объемных структур "чернилами" из живых клеток — они деформируются, печать же полых органов требует дополнительных приспособлений.
Решение — метод магнитной левитации в невесомости, который позволяет клеткам самостоятельно собираться в запрограммированные трехмерные формы под действием магнитного поля. Однако на Земле для преодоления силы тяжести требуются высокие концентрации парамагнетика (вещества, намагничивающегося в поле), токсичные для живых клеток. В космосе, в отсутствие гравитации, этот барьер снят. В ходе эксперимента уже удалось создать образцы хрящевой ткани человека и щитовидной железы мыши из готовых клеточных сфероидов.
Взаимосвязь экспериментов
Все рассмотренные выше эксперименты — не разрозненные исследования, а звенья одной цепи. Они выстраиваются в логический путь от фундаментального понимания молекулярных и клеточных процессов ("Структура", "Статокония") через изучение их влияния на развитие и восстановление целых организмов ("Перепел", "Регенерация") к созданию конкретных технологий для поддержания жизни и здоровья в космосе ("Биопринтер", "БИМС"). Эта комплексная работа закладывает научный и технологический фундамент для будущих межпланетных экспедиций, включая полеты на Луну и Марс.
Мнение редакции может не совпадать с мнением автора. Использование материала допускается при условии соблюдения правил цитирования сайта tass.ru