http://www.nas.edu/ssb/csbmmenu.htm

Стратегия исследований в космической биологии и медицине в новом столетии

Часть вторая

Физиология, гравитация и стресс

Иммунология

Введение

Космический полет оказывает существенное влияние на некоторые параметры иммунного ответа. Ни биологическое или биомедицинское значение ни механизм этих изменений не были установлены.

В эффект влияния космического полета на иммунный ответ могут быть вовлечены различные факторы. В космическом полете как и на Земле, иммунная система динамически взаимодействует с другими системами организма. Факторы, влияние которых должно быть рассмотрено в течение космического полета, включают изменения, вызванные низкой гравитацией; изменения в нейроэндокринной системе, вызванные ответом на стресс, изменения, вызванные воздействием радиации, изменениями в пищевом рационе, изменениями в уровнях 1,25-дигидроксивимтамина Д3 (то есть, изменения уровней кальция), ускорением и торможением а также возможными изменениями уровней пролактина и соматотропина. Эти факторы могут действовать независимо или объединяться с эффектом низкой гравитации и действовать на иммунную систему дополнительно или синергистически. Например, изменения диеты и рабочей нагрузки в течение космического полета, могут вызывать гормональный ответ, который в свою очередь затрагивает иммунный ответ. Взаимодействие иммунного ответа с гипоталамо-гипофизо-надпочечной (HPA) осью может играть главную роль. Недавно основанная дисциплина психонейроиммунология занимается исследованием этих взаимосвязей. Возможно, что имеется глубокое взаимодействие между этими двумя системами и факторы типа стресса, могут иметь серьезное воздействие на иммунный ответ и сопротивляемость инфекциям. Эти взаимодействия могут играть главную роль как единственный потенциальный механизм для объяснения эффекта космического полета на иммунный ответ. Дополнительные, пока еще неизвестные факторы могут также играть определенную роль.

Разнообразные наблюдения, сделанные в течение и по окончании космических полетов вызвали интерес к эффекту влияния космического полета на иммунный ответ. Многие из ранних исследований сообщали о возможных инфекционных болезнях, возможно, фактически наблюдалась ''болезнь нахождения в космосе'' (''space motion sickness''), которая производит симптомы, которые в то время были неразличимы от признаков насморка и гриппа. Изоляция астронавтов программы Аполлон до полета, уменьшила проблемы с инфекциями верхних дыхательных путей, по сравнению с не изолированными. В течение полета Аполлона 13, у одного астронавта развилась инфекция мочевого тракта (Pseudomonas aeruginosa). Один космонавт был эвакуирован с космической станции Мир из-за возможной но неподтвержденной инфекции верхних дыхательных путей (I. Konstantinova 1992). Эти результаты свидетельствуют о наличии определенных проблем с инфекционными болезнями в течение космического полета. До настоящего времени, не имелось никаких свидетельств обширных проблем с инфекционными болезнями в течение и после космического полета. Однако, поскольку имеются планы очень продолжительных полетов и создания внеземных колоний, потенциальные проблемы с инфекционными болезнями могут увеличиваться и должны быть исследованы. Кроме того, пока не установлена роль низкой гравитации в индуцированной космическим полетом in vivo изменении иммунного ответа.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ

Исследование животных

Исследования животных были сосредоточены на клеточном иммунитете и делалась оценка большого числа иммунологических параметров, на которые воздействует космический полет. Изучение ответа на антитела, механистические исследования и эксперименты по определению биологического и биомедицинского значения индуцированных космический полетом изменений в иммунологических параметрах были немночислены и ограничены в возможностях, прежде всего из-за технических трудностей в проведении экспериментов.

Основным экспериментальным животным для исследований в космическом полете была крыса. Эксперименты были выполнены с использованием Российских и Американских космических кораблей. Хотя размещение лабораторных животных в полете, состояние окружающей среды, продолжительность и апогей полета и условия приземления отличилась, были получены сопоставимые результаты. Все полеты, несущие экспериментальных животных имели относительно короткую продолжительность, обычно от 1 до 2 недель. Почти все эксперименты, кроме отдельно отмеченных, были выполнены немедленно после возвращения на Землю (обычно в пределах от 2 до 4 часов, но не позднее 24 часов после приземления).

Ранние исследования обнаружили инволюцию тимуса после космического полета. Изменения в тимусе и других тканях позднее были подтверждены, но было показано, что они имели переходной характер.

Хотя ранние эксперименты, выполненные на Российских космических биоспутниках, не показали влияния космического полета на бластогенез лейкоцитов крысы, более поздние исследования обнаружили такой эффект. Причем, воздействие на лейкоциты, полученные из лимфатических узлов, отличалось от воздействия на клетки, полученные из системной ткани.

В большинстве исследований изучался приобретенный иммунитет (специфический иммунитет к патогенам, требующий предварительного воздействие патогенов). В эксперименте с крысами на Space Shuttle-3, изучалось производство цитокинов (интерлейкина и интерферона) после приземления. Селезенка удалялась в течение нескольких часов после приземления и стимулировалась митогеном, чтобы увеличить производство цитокинов. Производство интерферона было очень сильно уменьшено, но уменьшение производства интерлейкина-3 не было обнаружено. Позднее было обнаружено уменьшение производства других цитокинов, включая интерлейкин-2, причем только в определенное время после космического полета. Производство других цитокинов - интерлейкина-3 и интерлейкина-6 после космического полета увеличилось. Было обнаружено разделение этих ответов. Производство интерлейкина-6 клетками селезенки не изменилось, но производство интерлейкина-6 тимусными клетками увеличилось. Это указывает, что не имеется влияния на иммунный ответ в целом, но космический полет оказывает ряд селективных эффектов.

Хотя исследование влияния эффектов космического полета на производство цитокинов были выполнены, никогда не делались попытки установить, действительно ли космический полет стимулирует изменения в Th1 и Th2 профилях производства цитокинов лимфоцитами Т-хелпер. Th1 профиль производства цитокинов указывает на клеточные иммунные реакции, принимая во внимание, что Th2 профиль производства цитокинов указывает на антительный ответ. Изменения Th1 и Th2 профилей производства цитокинов могло указывать на индуцированное космический полетом регулируемое изменение иммунного ответа и может иметь большое значение.

В некоторых работах изучался эффект космического полета на врожденный иммунитет. В первых исследованиях клеткок крыс, летавших на Российских космических биоспутниках было обнаружено уменьшение способности естественных киллеров уничтожать клетки-мишени опухоли по сравнению с контрольной группой. Однако в более поздних работах было показано, что этот эффект селективен. Способность естественных киллеров животных, которые прилетели из космоса уничтожать клетки опухоли, была незатронута. Эти результаты были получены при исследованиии клеток животных, полученных немедленно после полета. В более поздних экспериментах, материал для эксперимента был получен в полете, непосредственно на борту Space Shuttle-2 за 1 день до приземления. В этом случае, способность естественных киллеров уничтожать целевые клетки опухоли была ингибирована по сравнению с материалом полученным на Земле. Эти важные данные указывают, что получение материала для исследования в полете является чрезвычайно важным, так как некоторые иммунологические изменения, появляющиеся в полете, могут полностью исчезать после возвращения на Землю через очень небольшое время.

Эксперименты также были сосредоточены на колониестимулирующем факторе и распределении субпопуляций лейкоцитов. На Российских космических биоспутниках был исследован ответ клеток костного мозга крыс на колониестимулирующий фактор. Ответ клеток крыс на макрофагный колониестимулирующий фактор и на гранулоцито-макрофагный колониестимулирующий фактор был сильно уменьшен после космического полета, по сравнению с ответом от клеток животных из контрольной группы, размещенных в нормальных условиях или в условиях, моделирующих космическую капсулу на Земле. Также были отмечены некоторые изменения в распределении поднаборов лейкоцитов после полета крыс в космической капсуле. Наиболее сильно было увеличение уровней CD4+ Т-хелпер.

В эксперименте над контрольной группой использовалось центрифугирование крыс на Земле в условиях, аналогичных содержанию крыс на биоспутниках, чтобы определить, могла ли повышенная гравитация затрагивать параметры иммунной системы. Повышенная гравитация не оказывала никакого эффекта на любой из иммунных параметров, на которые воздействовал космический полет.

Результаты одного эксперимента с использованием в космическом полете макак-резусов, были совместимы, с исследованием крыс. У обезьян, летавших на Российском космическом биоспутнике, уровни интерлейкина-1, уровни рецепторов к интерлейкину-2 и ответ клеток костного мозга на гранулоцито-макрофагный колониестимулирующий фактор уменьшились.

Хотя эти свидетельства показывает, что хотя космический полет воздействует на иммунологические параметры, до настоящего времени нет никаких свидетельств, что эти изменения имеют биологическое или медицинское значение. Использование животных моделей могло бы помочь решить эту проблему и повлиять на будущие соображения относительно того, являются ли такие изменения иммунных параметров важной проблемой для здоровья и безопасности при космических полетах. Этой проблеме нужно дать самый высокий приоритет.

Рекомендации

Биологическое и биомедицинское значение индуцированных космический полетом изменений иммунного ответа должно быть изучено в кратковременнных и долговременных исследованиях, предпочтительнее на мышах или, если необходимо, на крысах. Виды исследований, которые должны быть выполнены в порядке приоритета:

1. Сопротивляемость инфекциям

Проведение таких исследований может быть трудным, если выполняется полностью на космической станции, из-за трудностей обеспечения потенциала действия патогенов в окружающей среде. Поэтому, исследования инфекций должны быть выполнены на животных немедленно после их возвращения на Землю. Также, это позволит смоделировать период после возвращения на Землю, когда экипаж покидает стерильную зону и в этот момент подвергается наибольшему риску инфекции.

Животные, подвергнутые условиям космического полета, должны быть инфицированы вирусами (например, гриппом и вирусами герпеса) или бактериями (например, Salmonella typhimurium) и затем должно быть определено влияние индуцированных космический полетом изменений сопротивляемости к инфекции. Это позволит определить влияние эффектов космического полета на образование антител и клеточный иммунитет.

2. Приобретенный иммунный ответ.

• Исследования сенсибилизации антигенов и сопротивления инфекционным болезням должны быть выполнены, чтобы определить, воздействует ли космический полет на способность вырабатывать специфический иммунный ответ и сопротивляемость инфекциям. Исследования сенсибилизации могли бы быть выполнены в полете, используя безвредные антигены, например keyhole limpet hemocyanin.
• Гуморальный иммунный ответ должен быть проверен непосредственно после иммунизации и позднее на предмет его изменения, с помощью определения специфических антител. Профили цитокинов Th1 и Th2 должны быть изучены не только у неиммунизированных животных, но также и после появления специфического иммунного ответа.
• Клеточный иммунный ответ должен быть проверен как на гиперчувствительность замедленного типа при контакте с антигеном, так и на активность популяции цитотоксических T-лимфоцитов.

3. Взаимодействие с гипоталамо-гипофизо-надпочечной (HPA) осью и другими системами

Когда производится измерение иммунного ответа, одновременно должно быть выполнено измерение стресс-ассоциированных медиаторов (включая адреналин, катехоламины и нейропептид Y). Измерения кровяного давления, частоты сердечных сокращений, ортостатической интолерантности и других параметров должны также быть сделаны и сопоставлены, чтобы позволить определить взаимодействие иммунной системы с другими системами организма, включая костномышечную систему.

Исследования человека

Несколько исследований были выполнены, чтобы определить влияние космического полета на иммунный ответ человека. Количество экспериментов было небольшим из-за ограниченного доступа к членам команды. Однако, был изучен отдаленный эффект космических полетов, в течение от нескольких месяцев до более чем 1 года.

Изменения некоторых иммунологических параметров наблюдались у членов команды после кратковременных космических полетов Шаттла. Эти исследования были выполнены после приземления, и вследствие этого, относительное влияние низкой гравитации, психологического стресса полета и приземления на изменения иммунного ответа не удалось дифференцировать. Результаты, представленные здесь, согласуются с данными большинства полетов, хотя есть и противоречивые данные. Было обнаружено уменьшение числа лимфоцитов, уменьшение бластогенеза лейкоцитов, увеличение числа лейкоцитов, изменение относительного процента B и T лимфоцитов, уменьшение числа моноцитов, увеличение числа Т-хелпер, уменьшение числа T-супрессор и увеличение отношения CD4+/CD8+. Эти результаты могут быть связаны с некоторыми изменениями в нейроэндокринной системе, особенно уровней катехоламинов адреналина и норадреналина. Должно быть отмечено, что в некоторых полетах не имелось никаких изменений, или изменения были противоположны описанным выше. Условия, включая продолжительность, изменялись для каждого полета, что делает трудным идентификацию эффекта космического полета на каждый иммунологический параметр в отдельности. Однако, несмотря на различия в результатах, очевидно, что космический полет может изменять иммунологические параметры человека.

Изменения, наблюдаемые у клеток, взятых у Российских космонавтов немедленно после кратковременных полетов, включают уменьшение активности естественных киллеров и уменьшение производства интерферона альфа/бета. Интересно, что уменьшение производства интерферона альфа/бета было обнаружено у тех же самых космонавтов, чьи лейкоциты периферической крови были культивированы с индукторами интерферона, также, как и в in vitro космическом эксперименте Talas, в котором производство интерферона альфа/бета было заметно увеличено. Эти результаты еще раз подтверждают мнение, что результаты экспериментов in vitro не могут быть повторены in vivo, потому что изучаемые клетки находятся вне обычной среды, взаимодействующей с другими системами организма.

Когда исследования были выполнены немедленно после возвращения космонавтов на Землю после долговременного космического полета, был обнаружен эффект изменения активности естественных киллеров, изменение бластогенеза лейкоцитов и изменение производства интерлейкина-2. Также сообщалось о увеличении серологических уровней иммуноглобулинов, особенно общего количества IgA и IgM. Способность иммунной системы человека адаптироваться к продолжительному воздействию факторов космического полета должна быть установлена.

Недавно был предпринят ряд попыток сформулировать проблему влияния эффекта продолжительного космического полета на иммунный ответ человека. Эти исследования являются существенными, поскольку они позволяют дифференцировать собственно эффекты космического полета от стрессовых эффектов взлета/посадки на иммунный ответ. Эти результаты были получены при исследовании астронавтов в течение относительно кратковременного космического полета Шаттла и были значительно расширены при долговременном полете на космической станции ''Мир''. Эти эксперименты включали изучение гиперчувствительности замедленного типа при кожной пробе к обычным антигенам и показали наличие эффекта космического полета. Было обнаружено уменьшение ответа на эти антигены в течение космического полета.

Рекомендации

Иммунологические исследования людей должны быть выполнены, чтобы определить параметры полета, имеющие потенциальные функциональными последствия. Дополнительные иммунологические исследования человека и разработка потенциальных контрмер должны вестись только если эксперименты на животных показывают, что индуцированные космическим полетом изменения иммунных параметров имеют биологическую и биомедицинскую важность. Следующие исследования, внесенные в список в порядке приоритета, должны быть выполнены:

1. Приобретенный иммунитет

• Гиперчувствительность замедленного типа должна быть проверена в полете и в послеполетном периоде чтобы расширить существующую базу данных.
• Ответ на вакцину гриппа должен быть проверен в космическом полете и после возвращения на Землю, чтобы проверить функцию T-хелперов и выработку антител.
• Антительный ответ на латентные вирусные эпитопы типа вируса орального герпеса или вируса Эпштейна-Барра должен быть определен.
• Если вышеупомянутые исследования покажут биологически- и биомедицински- важные результаты, то как на Земле, так и в полете, должны быть проведены исследования Th1 (клеточных) цитокинов (интерлейкин-2, интерферон-гамма, интерлейкин-12) и Th2 (гуморальных) цитокинов (интерлейкин-4, интерлейкин-10). Каждый объект исследования должен использоваться как собственная контрольная группа, чтобы гарантировать, что индивидуальные особенности объекта были учтены в каждом эксперименте.

2. Врожденный иммунитет

Количество естественных киллеров и их активность, также как функция нейтрофилов в периферической крови должны быть измерены.

3. Эпидемиологические исследования

Чтобы оценить потенциальный риск инфекции, полные, всесторонние отчеты должны сохраняться для всех космонавтов.

4. Взаимодействия с гипоталамо-гипофизо-надпочечной осью и другими системами организма

У людей, участвущих в моделировании условий космического полета на Земле, при измерении иммунного ответа, должно быть выполнено измерение стресс-ассоциированных медиаторов (включая адреналин, катехоламины и нейропептид Y). Измерения кровяного давления, частоты сердечных сокращений, ортостатической интолерантности и других параметров должны также быть сделаны и сопоставлены, чтобы позволить определить взаимодействие иммунной системы с другими системами организма, включая костномышечную систему.