На борту Международной космической станции уже несколько лет реализуется эксперимент «Лазма», посредством которых космонавты оценивают состояние кровотока и метаболические процессы в тканях. Авторы проекта — ученые — объясняют, как невесомость влияет на микроциркуляцию крови в организме человека, почему в первые дни пребывания в космосе наблюдается снижение кровотока в нижних конечностях, возникает отек головы и какую роль эксперимент играет в подготовке к длительным космическим полетам НТЦ биомедицинской фотоники Андрей Дунаев и Юлия Локтионова, сотрудники Орловского государственного университета имени И.С. Тургенева.
Справка: Андрей Валерьевич Дунаев — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник и руководитель Научно-технологического центра биомедицинской фотоники Орловского государственного университета имени И.С. Тургенева, научный руководитель космического эксперимента (целевой работы) «Лазма», посвященного отработке методики регистрации параметров микроциркуляторно-тканевых систем в конечностях космонавтов в период острой адаптации к условиям микрогравитации и реадаптации после завершения длительного космического полета (2022–2027). Юлия Игоревна Локтионова — стажер-исследователь Научно-технологического центра биомедицинской фотоники ОГУ им. И.С. Тургенева, руководитель проекта РНФ №25-25-00546, посвященного изучению влияния моделируемых неблагоприятных факторов космического полета на микроциркуляторно-тканевые системы организма космонавтов (2025–2026).
— В чем уникальность вашего научного эксперимента?
А.В. Дунаев: Начало эксперимента состоялось в декабре 2021 года в сотрудничестве с Центром подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина, входящим в состав ГК «Роскосмос». Этот пилотный проект мы назвали «Лазма» — это сокращение, образованное от словосочетания «лазерная медицинская аппаратура». Разработчиком оборудования стала российская инновационная компания «Лазма». Тестирование технологии прошло во время одного из первых коммерческих запусков ГК «Роскосмос» в декабре 2021 года. В числе участников миссии находился Герой России, космонавт Александр Александрович Мисуркин и два космических туриста: японский бизнесмен Юсаку Маэдзава и его помощник Йозо Хирано. Причина в том, что ранее нам под удача удалось убедить в перспективности нашей идеи и космонавта Александра Мисуркина, и Юсаку Маэдзава, именно эта новизна задачи привлекла внимание потенциального заказчика, который впоследствии и стал заказчиком эксперимента. С помощью подобных технологий микрогравитацию в реальных условиях ранее не исследовали (такой носимый вариант технологий ранее попросту не существовал). При этом методы, на которых они основаны, были известны давно, и мы, как и многие научные группы в России и за рубежом, разрабатывали их на протяжении почти 20 лет.
— О каких технологиях идёт речь?
А.В. Дунаев: Изучение микроциркуляции с помощью лазерной доплеровской флоуметрии является распространенной практикой. Однако мы расширили возможности этой технологии, включив в нее флуоресцентную спектроскопию, что позволило создать мультимодальный метод. Этот подход позволяет косвенно определять интенсивность метаболических процессов в тканях, в частности, окислительный метаболизм. В ходе недавней туристической космической миссии, о которой я ранее рассказывал, были получены весьма любопытные результаты.
Ю.И. Локтионова: Благодаря совместным усилиям большой команды партнеров, нам удалось привлечь внимание НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина. Это позволило в 2023 году продолжить эксперимент в рамках официальной программы на борту МКС. В настоящее время эксперимент интегрирован в основную научную программу МКС и будет завершен в конце 2026 года, одновременно с завершением длительной экспедиции МКС-74.
— Какие методы используются для получения сведений о процессах, протекающих в тканях космонавтов во время пребывания в условиях отсутствия гравитации?
А.В. Дунаев: Мы проводим зондирование биологической ткани с помощью непрерывного низкоинтенсивного лазерного излучения в ближнем инфракрасном диапазоне. Фиксируем свет, который исходит из ткани и рассеивается от движущихся эритроцитов. Так называемый медико-биологический параметр — тканевая перфузия, или перфузия крови — регистрируется на основе допплеровского сдвига, который отражает скорость движения эритроцитов. Это можно интерпретировать как результат, полученный из среднего количества эритроцитов, умноженного на их среднюю скорость в определенном диагностическом объеме.
Ю.И. Локтионова: Наши устройства по размеру и весу сопоставимы с часами или другими миниатюрными гаджетами, что обеспечивает их легкую транспортировку на МКС. Также они способны передавать данные по Bluetooth и Wi-Fi, это позволяет проводить исследования не только на Международной космической станции, но и в условиях реальной клинической практики, такой как отделения интенсивной терапии или операционные.
— На орбите у космонавтов происходит перераспределение крови: она скапливается в верхней части тела, а кровообращение в ногах снижается. Фиксировали ли вы это явление при помощи используемого оборудования?
А.В. Дунаев: Действительно, после того как человек впервые отправился в космос, стало очевидно, что такое путешествие — далеко не безобидная история. Человеческий организм эволюционировал исключительно в наземных условиях, и он такой, какой есть, потому что человек — прямоходящий.
В теле человека содержится от 60 до 70% воды, и в условиях отсутствия гравитации она перемещается из нижней части тела в верхнюю, главным образом в голову. Это явление, которое нередко описывают как «куриные ножки», характеризуется истончением нижних конечностей, поскольку жидкость скапливается в верхней части тела, вызывая отечность лица.
Целью нашего эксперимента стало изучение упомянутых выше процессов. Мы стремились выяснить, какие изменения происходят на периферии сердечно-сосудистой системы, в микроциркуляторном русле, в различных частях тела. В распоряжении у нас было два устройства, и изначально мы крепили их парами в четырех зонах: на висках, на средних пальцах рук, предплечьях и на больших пальцах стоп. Однако, от первого эксперимента до текущих длительных миссий, методика претерпела изменения, и теперь мы регистрируем показатели в трех зонах: на лбу, пальцах рук и стоп. Нас интересует, как в этих зонах происходят изменения микроциркуляторно-тканевых систем организма космонавтов.
— Какие еще интересные явления вы наблюдали?
А.В. Дунаев: Сначала проявляется эффект дисбаланса. Уже на вторые-четвертые сутки пребывания в полете кровоток в стопах значительно снижается, а в голове, наоборот, возрастает. Особенность нашей технологии заключается в том, что мы изучаем ритмы этой перфузии, или осцилляции – колебания в микроциркуляторном русле. Это дает возможность понять, как именно происходят адаптация и регуляция в организме, и, по моему мнению, это один из наиболее перспективных вопросов в космической медицине.
Кровь распределяется на два потока: питательный, через капилляры, где происходит доставка кислорода к тканям, и шунтовой, при котором она движется в венозное русло, минуя капилляры. В головном мозге, как отмечалось ранее, наблюдается избыточный приток крови, поэтому организму необходимо каким-то образом регулировать его.
Ю.И. Локтионова: В связи с этим, мы стремимся разобраться в механизме данной перерегуляции и понять, как организм адаптируется к изменяющимся условиям. Исследование региональных особенностей позволяет выявить, что, например, регулирование в руках отличается от регулирования в ногах и голове. Наиболее простая картина наблюдается в руках, поскольку они находятся в центральной позиции и постоянно находятся в движении. В результате, изменения в них минимальны по сравнению с изменениями в голове и ногах. В ногах в первые двое-трое суток отмечается заметное снижение перфузии. Это закономерно, поскольку жидкость перемещается в голову. Затем мы наблюдаем ее увеличение.
На Земле кровоток в норме поддерживается благодаря ряду факторов: пульсация, обусловленная сердцебиением, дыхание, влияющее на колебания сосудов и регулирующее венозный отток, а также местные механизмы, включающие в себя работу эндотелия, вегетативную нервную систему и прекапиллярные сфинктеры (мышечный компонент сосудов). Все эти факторы действуют совместно, обеспечивая питание клеток и тканей.
Заметно, что этот процесс происходит не посредством активации всех регуляторных функций, а благодаря усилению поступления крови по артериям. Кажется, организм ищет оптимальный способ функционирования, и это требует определенного времени. В конечном счете, состояние космонавтов стабилизируется, однако регуляция в условиях невесомости, очевидно, несколько отличается от земной.
Мы определяем площадь участка над бровями, а именно бассейн надглазничной артерии, получающий кровоснабжение от бассейна внутренней сонной артерии. Мы с большой осторожностью предполагаем наличие связи между этой областью и особенностями кровоснабжения головного мозга.
А.В. Дунаев: Ранее проведение подобных исследований в условиях реального космического полета было затруднено: в медицине использовались громоздкие стационарные приборы с волокнами, которые необходимо было крепить к коже, что представляло собой сложную организационную и технологическую задачу. В настоящее время российская компания разработала носимые устройства, а мы создали методики их использования при различных заболеваниях. Благодаря этому мы получили уникальные сведения, полученные в условиях настоящей микрогравитации.
— Вероятно, получить подобные сведения на Земле не удалось бы даже при использовании специализированных симуляторов, поскольку адаптация в условиях реального полета отличается. Необычно, что вы буквально в режиме реального времени наблюдаете, что происходит с человеческим организмом в космосе!
А.В. Дунаев: Так и есть.
Ю.И. Локтионова: На Земле, безусловно, имитируются некоторые аспекты космического полета, однако в условиях космоса все эти факторы проявляются одновременно, оказывая иное воздействие на организм. Существует значительное количество научных исследований, посвященных влиянию отдельных факторов, создающих условия, схожие с невесомостью, однако полученные данные не всегда соответствуют результатам, наблюдаемым во время реальных космических полетов.
В области подготовки космонавтов и разработки тренажеров существует отдельное направление наших космических исследований, осуществляемое совместно с Научно-исследовательским институтом Центрифуги подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина. Ежегодно космонавты проходят обязательное медицинское обследование, которое включает в себя тренировки на центрифуге. Многие, вероятно, видели в интернете центрифугу диаметром 18 метров, имитирующую перегрузки в диапазоне 4–8 G и больше. Космонавты также проходят тренировки в барокамере, где моделируется подъем на высоту до 10 км с изменением газового состава и давления. Есть еще ортостол — поворотная кушетка, которая может наклонить человека вниз головой или вниз ногами, моделируя физиологические эффекты невесомости (переливание жидкости), и стул, вращающийся вокруг своей оси. Некоторые из этих тренажеров мы даже тестировали на себе: ощущения — на любителя. Все эти установки моделируют влияние отдельных или нескольких факторов космического полета в условиях земной гравитации, и эти же факторы отслеживаем и мы в ходе уже реального космического полета. Мы оцениваем влияние до полета, во время и после него, измеряем, как организм адаптируется, изучаем индивидуальные реакции.
— Значит, достаточный уровень подготовки способствует более результативной адаптации?
А.В. Дунаев: Кстати, именно эти вопросы послужили основой для кандидатской диссертации Юлии Игоревны. Мы стремимся выявлять и анализировать сложные нюансы, чтобы оказать поддержку врачам, работающим с космонавтами. Эта диагностическая информация, ранее недоступная, представляет для них совершенно новый уровень знаний. Первые результаты вселяют оптимизм, и мы искренне надеемся, что наши разработки окажутся полезными как медицинскому персоналу, так и самим космонавтам.
— Какие дни самые сложные на орбите?
А.В. Дунаев: Результаты наших исследований подтвердили общеизвестную в космической медицине закономерность: наиболее сложный период для организма приходится на первые три дня. Это проявляется и в изменениях микроциркуляции крови. Интересно, что продолжительность космического полета оказывает различное воздействие на космонавтов. Мы проанализировали данные двух коротких миссий и в настоящее время завершаем третью, длительную миссию, таким образом, в общей сложности у нас их пять. Именно на основе информации, полученной в ходе этих миссий, были сделаны данные заключения.
— А какое путешествие представляет большую опасность: продолжительное или краткое?
А.В. Дунаев: На данный момент делать окончательные выводы преждевременно. Результат во многом определяется особенностями организма каждого человека. В настоящее время мы проводим сопоставление различных параметров.
— На какой период времени, по вашему мнению, человеческий организм способен функционировать в условиях космоса?
А.В. Дунаев: Вы, вероятно, сразу же вспомнили Илона Маска и его мечту о полёте на Марс ( смеется). Мы искренне надеемся на успех нашей страны в освоении Марса. В настоящее время предполагается, что перелет до Марса займет от девяти месяцев до года. Влияние столь длительной миссии на человеческий организм остается не до конца понятным. Известно, что применяются профилактические меры, включая занятия спортом и использование дополнительных приборов и устройств для адаптации, однако данный вопрос, безусловно, нуждается в дополнительных исследованиях. Но я могу с уверенностью сказать одно: наши носимые устройства окажутся крайне полезными в подобном путешествии. Они позволят выявлять проблемы на ранних стадиях, а главная задача любой медицинской диагностики – своевременное предупреждение.
Ю.И. Локтионова: На данный момент очевидно, что воздействие невесомости на организм оказывает влияние на его последующую реадаптацию к земной гравитации. Это позволяет рассматривать данное воздействие как показатель скорости и эффективности адаптации после космического полета. Таким образом, анализ микроциркуляции крови позволяет предсказать, как будет протекать период восстановления после полета, и оказать космонавтам необходимую помощь в этот период.
— Вы столь детально излагаете физиологические процессы, что невольно возникает вопрос: возможно, вы сами являетесь врачами? Однако, насколько мне известно, Андрей Валерьевич — доктор технических наук, а Юлия Игоревна — будущий кандидат технических наук. Как вам удается столь глубоко понимать медицину?
А.В. Дунаев: Мы, специалисты в области «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», занимаемся биомедицинской инженерией и медицинским приборостроением. Нас нередко называют посредниками между физиками/инженерами и врачами. Для понимания медицинского работника необходимо владеть его терминологией, и это требует значительного времени. Объектом наших исследований является человеческий организм, то есть биологическая система, поэтому мы должны хорошо знать его анатомию и физиологию. Соответственно, в учебную программу изначально включены медицинские и биологические дисциплины. Это и является примером классической междисциплинарности.
Ю.И. Локтионова: Мы с большим интересом изучаем различные сферы знаний и устанавливаем связи между ними.
А.В. Дунаев: Многие эксперты полагают, что развитие науки связано с междисциплинарными подходами, и их мнение подтверждается тем, что наиболее значимые открытия совершаются в результате объединения различных научных областей.
— Какие еще параметры космонавтов, по вашему мнению, было бы полезно оценивать в будущем?
А.В. Дунаев: Существует множество параметров, и многие из них уже успешно измеряются научными работниками. Наша работа сосредоточена на одном конкретном направлении: исследовании микроциркуляторно-тканевой системы космонавтов. С помощью лазерной доплеровской флоуметрии мы получаем информацию о том, как кислород транспортируется кровью к тканям, а флуоресцентная спектроскопия позволяет оценить, как ткани используют этот кислород. Это комплексный подход к изучению отдельной подсистемы организма.
Ю.И. Локтионова: Конечно, одновременно фиксируются данные электрокардиограммы, электроэнцефалограммы и ряд других показателей — без этого современная практика невозможна.
— Существует ли в вашей сфере деятельности некий аналог «священного Грааля?
А.В. Дунаев: Полагаю, речь идет о мозге. Его исследование вызывает интерес у многих. Это актуально не только при изучении космоса, но и в земных условиях.
— Что конкретно исследовать?
А.В. Дунаев: Не стоит полагать, что наше понимание мозга завершено. Например, в космосе наблюдаются уникальные психоэмоциональные воздействия, а также возможны изменения зрения и другие эффекты.
Ю.И. Локтионова: Есть и психологические аспекты: небольшая площадь, постоянный шум, именно поэтому, чтобы обеспечить совместимость и способность к длительному взаимодействию в условиях замкнутого пространства, команду космонавтов формируют с особой тщательностью. Перед стартом проводятся тренировки, имитирующие эти условия на Земле.
А.В. Дунаев: Третьей нашей сферой деятельности в космической медицине является — изоляционный эксперимент «Сириус», исследования, которые неоднократно проводились в Институте проблем мозга человека РАН. Последняя миссия завершилась в ноябре 2024 года, и мы активно принимали в ней участие, применяя те же технологии, которые обсуждаются в этом интервью.
Ю.И. Локтионова: Мы с коллегами исследовали воздействие продолжительной изоляции на психоэмоциональное состояние участников. Шесть человек провели год в наземном модуле, который моделировал космический корабль и позволял отрабатывать полет к Луне. Условия были максимально приближены к реальным: полная сенсорная депривация (отсутствие солнечного света и ощутимой смены дня и ночи), ограниченное внешнее воздействие, гиподинамия (тренировки позволяли поддерживать физическую форму, но физическая активность в быту была снижена) и ограниченное пространство — модуль точно соответствовал размерам настоящего корабля. Наблюдения проводились в течение всего года. Ранее подобные эксперименты обычно длились от четырех до восьми месяцев, но теперь рассматриваются более продолжительные программы.
А.В. Дунаев: И сейчас очевидно, что совокупность перечисленных факторов оказывает воздействие на организм. Анализ осцилляций, то есть колебательных процессов, позволяет нам определить миогенные ритмы. Именно эти ритмы, подобно ключам, посредством прекапиллярных сфинктеров управляют кровотоком: направляют его либо в капилляры, либо в шунты. У нас уже есть опубликованная работа, в этих ритмах можно наблюдать проявления стресса и адаптивные изменения организма.
— Как именно это можно увидеть?
А.В. Дунаев: Влияние оказывает вегетативная нервная система. Стресс вызывает реакцию в одном из пяти компонентов колебаний кровоснабжения тканей: посредством миогенных колебаний. В условиях стресса ткани нуждаются в кислороде, и благодаря вазомоторному механизму регуляции кровоток перераспределяется, увеличиваясь в капиллярах и уменьшаясь в шунтах. Это явление может быть зарегистрировано.
— Помимо работ, связанных с освоением космоса, в вашем научно-техническом центре в настоящее время реализуется новый проект, финансируемый по мегагрантовской программе. Можете рассказать о его содержании?
А.В. Дунаев: Это еще одна перспективная область, посвященная вопросам нейродегенерации. В нашем научно-техническом центре уже реализовано свыше двадцати разнообразных проектов, финансировавшихся как Российским научным фондом, так и другими организациями. В настоящее время реализуется пять проектов РНФ, охватывающих широкий спектр тем: от клеточной биологии до космической медицины. А мегагрант является уже вторым, что, несомненно, является уникальной особенностью для вуза, расположенного в регионе. Первый мегагрант был успешно завершен в период с 2019 по 2023 год, а с 2024 года началась работа над вторым. Этим мегагрантом, подобно первому, руководит доктор биологических наук Андрей Юрьевич Абрамов из Королевского колледжа Лондона, известный специалист в области нейробиологии и клеточной биологии. Тема второго мегагранта, как и первого, связана, как я уже сказал, с проблемой нейродегенерации: мы исследуем механизмы, предшествующие развитию болезней Альцгеймера и Паркинсона. Но если первый проект был скорее разведывательным, то второй сфокусирован на конкретной молекуле — неорганическом полифосфате. Это очень древняя молекула, и мы пытаемся понять ее роль и место в этих патологических процессах.
Ю.И. Локтионова: В нашем научно-техническом центре работает более 30 специалистов, и каждый из них находит применение своим навыкам: от изучения основ клеточной биологии до создания практических медицинских решений. Это создает уникальную для страны (и уж точно — для Орла) междисциплинарная структура: мы смотрим, как все работает на клетках, потом проверяем на модельных животных и в итоге приходим к человеку.
— Как вы оба могли бы ответить на этот вопрос: о чем вы мечтаете? Не хотели ли бы вы сами когда-нибудь покинуть пределы Земли?
А.В. Дунаев: Вероятно, этот вопрос больше подходит Юлии. Благодаря своему возрасту у неё ещё есть шанс совершить полёт в космос!
Ю.И. Локтионова: Кто не мечтает о путешествии туда! Сейчас объявлен набор в космонавты. Пока это лишь мечты. Ранее в космос отправлялись преимущественно военные летчики, а сегодня это могут быть люди с самым разным опытом: можно, например, полететь туда в качестве космического туриста, а можно стать специалистом в области космических исследований и отправиться в полет самостоятельно. Существует также альтернативный путь: совершенствовать космические медицинские технологии, оставаясь на Земле.
— Какие научные исследования проводятся? Какие цели преследуются?
Ю.И. Локтионова: Пока что моя ближайшая цель — защитить кандидатскую диссертацию.
А.В. Дунаев: Я ставлю перед собой разнообразные задачи. Моя главная цель – сделать наш научно-технологический центр признанным центром для ученых в регионе, создать на российской научной карте место, куда студенты смогут приезжать для получения качественного образования в сфере биомедицинских технологий. Необходимо, чтобы специалисты могли реализовать себя в различных направлениях: от биотехнологий и биологии до биомедицинской инженерии. В настоящее время мы работаем над запуском новой специальности — «Медицинская кибернетика». Планируем организовать первый набор в сентябре 2027 г. Это профессия будущего!
Искренне надеюсь, что нам удастся успешно развивать это направление в Орле. Конечно, хотелось бы новых проектов, но в первую очередь необходимо реальное внедрение наших технологий в сферу здравоохранения. Я убежден, что наши разработки окажутся полезными и для Российской орбитальной станции, запуск которой намечен на 2030 год.