Введение к работе
Актуальность проблемы. Длительные орбитальные космические полеты (КП) в течение двух последних десятилетий являются основным направлением развития советской и российской космонавтики и сопутствующих ей областей науки. Для космической биологии и медишшы приоритетным направлением исследований в течение всего этого периода было исследование длительного влияния невесомости на организм человека и разработка мер профилактики и коррекции неблагоприятных сдвигов, развивающихся в этих условиях.
Проблема нарушений метаболизма кальция, других минеральных веществ при снижении в условиях невесомости опорно-функциональной нагрузки на костно-мышечную систему несомненно относится к наиболее актуальным. Эта проблема была сформулирована одной из первых на заре зарождения космонавтики К.Э.Циолковским и получила подтверждение с началом медико-биологических исследований в космических полетах (Berry Ch. et al., 1971; Балаховский КС, Наточин Ю.В., 1973), в течение многих лет она интенсивно разрабатывалась как при обследовании космонавтов, так и в наземных модельных экспериментах.
Исследования развивались по нескольким направлениям. С одной стороны, до и после КП изучалось состояние костной ткани - основного депо минеральных веществ в организме (Бирюков Е.Н., Красных И.Г., 1970; Mack Р.В., Vogt Р.В., 1971; Hulley S.B., Vogel J.M., 1970; Vogel J.M., 1971; Оганов B.C. с соавт., 1987, 1990; Ступаков Г.П., Козловский А.П., Казейкин B.C., 1987; Ступаков Г.П., Воложин А.И., 1989), с другой стороны - сдвиги метаболизма кальция в условиях невесомости рассматривались в комплексе общих изменений водно-электролитного гомеостаза и систем его регуляции (Газенко О.Г., Григорьев А.И., Наточин Ю.В., 1986; Григорьев А.И., Воложин А.И., Ступаков Г.П., 1994).
Анализ полученных при обследовании космонавтов результатов свидетельствует, что, несмотря на использование комплекса профилактических мероприятий, наблюдается развитие отрицательного баланса минеральных веществ, снижение минеральной плотности костной ткани, при этом обращает внимание большая вариабельность результатов, которая указывает на индивидуальную предрасположенность к этим нарушениям. Проблема неблагоприятного влияния невесомости на минеральный обмен и состояние костной ткани остается актуальной даже после удачных космических полетов длительностью 8-14 месяцев. Диагностика выраженности сдвигов метаболизма кальция, с учетом индивидуальных особенностей в ходе длительных космических полетов, вместе с совершенствованием средств и методов профилактики и коррекции, может стать одним из элементов системы обеспечения безопасности космонавтов.
С увеличением продолжительности полетов значимость проблемы неблагоприятного влияния невесомости на обмен минеральных веществ будет возрастать, особенно учитывая перспективу межпланетных экспедиций. Осуществление пилотируемого полета к Марсу без методов целенаправленного воздействия на метаболизм минеральных веществ представляется проблематичным.
Результаты исследований механизмов нарушений минерального обмена при длительном ограничении двигательной активности и разработка средств их коррекции представляют несомненный интерес и для клинической медицины, так как пребывание на постельном режиме может отягощать течение основного заболевания и быть причиной развития сопутствующей патологии.
Изложенное позволяет сделать заключение об актуальности исследований
гегуляцчи минерального обмена в условиях длительной гипокинезии и космического полета как для космической медицины, так и для практического здравоохранения.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является комплексное изучение минерального обмена в условиях невесомости, гипокинезии, в том числе, оценка эффективности средств, регулирующих метаболические сдвиги в тканях опорно-двигательного аппарата при длительном ограничении двигательной активности.
В ходе работы решались следующие задачи:
оценка состояния обмена кальция, кальцийуретической функции почек и систем их регуляции у космонавтов до и после полетов продолжительностью от 30 до 366 суток;
изучение генеза изменений минерального обмена, состояния костной ткани и систем их регуляции у человека и животных при моделировании физиологических эффектов невесомости;
- разработка и экспериментальная апробация средств фармакологической
коррекции метаболизма кальция и состояния костной ткани в экспериментах на
квотных;
исследование эффективности профилактических мероприятий, rz „іотвращаюших метаболические сдвиги в тканях опорно-двигательного аппарата в экспериментах с длительной гипокинезией.
Научная новизна работы. В проведенных исследованиях впервые был использован комплекс методов исследования минерального метаболизма и систем его регуляции, который включал определение потерь минеральных веществ с помощью балансовых исследований, содержание в крови электролитов, минералотропных гормонов, при этом в модельных экспериментах было проведено не только исследование базального уровня этих соедішений, но и реакция эндокринных желез на кальциевую нагрузку. Впервые в модельных экспериментах с участием человека проведена биопсия костной ткани с последующим исследованием полученных образцов гистоморфометрическими, гистологическими и физико-химическими методами. Данные, полученные в этих исследованиях, были сопоставлены с результатами неинвазивных методов исследования костной ткани.
Использованный комплекс методов исследования и критериев оценки минерального обмена, систем его регуляции и состояния костной ткани позволил оценить перспективные средства профилактики, апробированные в длительных модельных экспериментах с участием человека, в том числе, в эксперименте с 370-суточной антиортостатической гипокинезией.
Показана эффективность целенаправленных средств фармакологической коррекции изменений метаболизма кальция и состояния костной ткани (бисфосфонатов). После предварительной апробации в модельных экспериментах на животных, один из препаратов этой группы был использован в экспериментах с длительной антиортостатической гипокинезией, в том числе и в сочетании с различными режимами физических упражнений, что позволило найти оптимальное сочетание этих профилактических средств.
В эксперименте с 370-суточной гипокинезией впервые с успехом была использована коррекция метаболизма калия с помощью добавок на фоне интенсивных физических упражнений, что позволило восполнить дефицит этого электролита в организме обследуемых в периоде постельного режима.
Полученные результаты позволили значительно расширить представления о
генезе изменений метаболизма кальция и состояния костной ткани при снижении опорно-функшюнальной нагрузки на костно-мышечную систему. В работе исследованы механизмы развития отрицательного баланса кальция в условиях длительной гипокинезии, уточнены гормональные сдвиги системы дистантных регуляторов кальциевого метаболизма, роль изменений ионорегулирующей функции почек. Показано, что сдвиги состояния костной ткани заключаются не только в потере массы костной ткани и снижении ее минеральной насыщенности, но и в ее структурной перестройке, при этом возможно перераспределение минеральных веществ как в отдельной кости, так и между различными участками скелета с разной степенью разгрузки.
Результаты проведенных исследований подтвердили справедливость теоретических предпосылок, положенных в основу разработки методов целенаправленной коррекции изменений минерального обмена и метаболизма костной ткани при длительном ограничении двигательной активности.
Практическая значимость. Результаты проведенных исследований нашли практическое применение как в космической медицине, так и в практическом здравоохранении.
При отборе космонавтов и их клинико-физиологическом обследовании до и после длительных полетов использована функциональная проба с кальциевой нагрузкой, которая позволяет выявить индивидуальные особенности минерального метаболизма. В комплексе с биохимическими исследованиями гормонального профиля космонавтов и денситометрическим исследованием различных участков скелета, эта методика используется для прогноза выраженности изменений обмена кальция и состояния костной ткани в условиях невесомости.
Подготовлены "Методические рекомендации по использованию водной и водно-солевых нагрузочных проб при оценке функционального состояния почек человека", которые были реализованы в диагностике ряда заболеваний, сопровождающихся нарушениями водно-солевого обмена, а также для оценки состояния водно-солевого обмена в экстремальных условиях внешней среды в различных климатических зонах.
В Центральном институте травматологии и ортопедии им.Н.И.Приорова принят апробированный в экспериментах со 120- и 370-суточной гипокинезиях комплексный метод исследования образцов костной ткани, полученных при биопсии гребня подвздошной кости, который используется при диагностике остеодистрофий различной этиологии.
В клинике нашли применение средства фармакологической коррекции нарушений минерального обмена, использованные в модельных экспериментах с участием животных и человека. Препарат ксидифон нашел свое применение в урологической (Институт урологии и оперативной нефрологии Минздрава РФ, МСЧ-119 3 ГУ МЗ СССР, ЦНИАГ) и в травматологической (ЦИТО МЗ СССР) практике.
Усовершенствованные схемы физических тренировок в сочетании с другими профилакпгческими средствами, апробированные в эксперименте с 370-суточной антиортостатической гипокинезией внедрены в практику космических полетов и используются экипажами длительных космических экспедиций на орбитатьной станции "Мир".
Практическую значимость представляют также разработанные теоретические положения которые могут быть использованы для обоснования и разработки новых, перспективных средств профилактики и коррекции неблагоприятных метаболических
сдвигов в тканях опорно-двигательного аппарата в условиях космического полета при длительном ограничении двигательной активности, при многих заболеваниях.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Длительное пребывание в условиях невесомости вызывает развитие стойких
изменений обмена кальция, кальцийуретической функции почек и их гормональной
регуляции. Выраженность этих изменений не зависит от ни продолжительности
полетов, ни от повторного воздействия невесомости, в большей степени она
обусловлена индивидуальными особенностями минерального метаболизма, а также
реализацией объема и структуры профилактических мероприятий во время полета.
-
Длительная антиортостатическая гипокинезией приводит к изменению ионного состава крови, прогрессирующим потерям кальция, которые обусловлены сдвигами метаболизма и процессов остеогенеза в костной ткани, изменениями содержания кальцийтропных гормонов, транспорта катьция в почках и его всасывания в желудочно-кишечном тракте. Динамика баланса минеральных веществ, депонируемых преимущественно в мышечной ткани отличается лабильностью и большим индивидуальным разбросом, интенсивность обмена калия в этих условиях может привести к быстрому развитию его дефицита и возможным функциональным нарушениям.
-
Использование в экспериментах, моделирующих воздействие невесомости в наземных условиях, средств фармакологической коррекции обмена кальция (бисфосфонатов), оказывает существенное влияние на метаболизм клеток костной ткани, что в значительной степени предотвращает неблагоприятные изменения ее физико-химических свойств и элементного состава и снижение прочностных характеристик
4. Использование физических тренировок (ФТ) в условиях длительной
антиортостатической гипокинезии снижает выраженность сдвигов обмена кальция в
тканях опорно-двигательного аппарата, хотя и не предотвращает их полностью. В
значительно большей степени ФТ влияют на обмен ионов калия, фосфора и магния, их
профилактический эффект находится в прямой зависимости от интенсивности и
структуры, при сочетании ФТ и добавок калия возможная не только стабилизация его
баланса, но и частичное восполнение уже развившегося дефицита.
5. Комплексная профилактика, включающая физические тренировки, введение
бисфосфонатов и коррекцию минерального состава рациона питания в значительной
степени уменьшает потери минеральных веществ, сдвиги гормональной регуляции
минерального обмена и кальцийуретической функции почек, изменения прочностных
свойств и минерального состава костной ткани в условиях длительной гипокинезии.
Исследования выполнены в рамках плановых научно-исследовательских программ Института медико-биологических проблем, 3 ГУ Минздрава РФ, ГКНТ, Министерства науки и технологий и РКА.
Апробация работы и публикации. Основные результаты и положения диссертации доложены на YI, YIII, ГХ, X и XI Всесоюзных конференциях по космической биологии и авиакосмической медицине (Калуга, 1978, 1986, 1990; Москва 1994, 1998); на X, XI и ХГХ Международных симпозиумах по гравитационной физиологии (Монреаль, 1988; Лион 1989; Рим 1998); на Y и Y1 Всесоюзных конференциях по физиологии почек и водно- солевого обмена (Ленинград, 1978; Новосибирск, 1981); на XXXIY Конгрессе Международной астронавтической федерации (Будапешт, 1983); на XXII Европейском симпозиуме по
кальцифицированным тканям (Вена, 1991); на XII Международном конгрессе Международной астронавтической Федерации (Вашингтон 1997). По материалам диссертации опубликовано 42 работы. Диссертация апробирована на расширенном заседании секции Ученого совета ГНЦ РФ-ИМБП.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), изложения общей структуры и методов исследования (глава 2), четырех глав результатов собственных исследований (главы 3-6), заключения, выводов, практических рекомендаций и внедрений, списка литературы.
Материал изложен на 292. страницах машинописного текста, иллюстрирован 2,& рисунками и 6 таблицами. Список литературы содержит источников, из них 2О 2, отечественных и ZZG иностранных.