Российско-японское исследование приблизило понимание роли микрогравитации в потере костной массы

В новом выпуске журнала Scientific Reports (Nature Publishing Group) японские ученые совместно с руководителем лаборатории "Экстремальная биология" ИФМиБ КФУ Олегом Гусевым и Владимиром Сычевым (Институт медико-биологических проблем РАН) опубликовали статью, где описали изменения, вызванные космическим полетом в организме рыб (японских оризий).

Как известно, полет в космос несет ряд опасностей для организма человека. Из-за длительной невесомости у космонавтов ухудшается состояние костей и мышц. В настоящее время потеря костной массы у астронавтов является одной из острейших проблем со здоровьем, наблюдающихся в условиях космического полета продолжительностью нескольких месяцев. Такое состояние сходно с широко распространенным старческим остеопорозом, именно поэтому врачи разрабатывают методы поддержки здоровья космонавтов в полете и послеполетного восстановления.

Важно, что понимание возможной роли микрогравитации в потере костной массы представляет интерес для понимания эффектов механического стресса на изменение состояния костной ткани, равно как и потенциальное клиническое значение.

"Рыбы - это один из немногих объектов, дающий возможность вычленить непосредственное влияние космического полёта на организм, - подчеркивает Олег Гусев. - Водная среда стабилизирует перегрузки и компенсирует эффект микрогравитации. То, что мы видим в результатах работы - это как раз вычлененный эффект дополнительных факторов полёта - может быть, космической радиации или тонких механизмов чувствительности организма к гравитации. Кроме того, с практической точки зрения медаки (или оризии) быстро растут и развиваются - это один из всего двух видов рыб, ставших модельными организмами. Второй вид - Danio rerio, он тоже использовался в проекте. Геном медаки расшифрован. Именно это определяет выбор".

Так, в 2012 году космический корабль Союз ТМА-06М доставил на борт Международной космической станции несколько японских оризий (Oryzias latipes), известных также под названиями медака и японская рисовая рыба. В природе эти рыбы действительно часто встречаются на затопленных рисовых полях. Надо сказать, что это был не первый полет оризий в космос - в 1994 году они уже провели 15 дней на корабле «Колумбия», успешно проведя нерест на орбите. Теперь же оризиям предстояло находиться на МКС несколько лет.

Как оказалось, эффекты микрогравитации сказываются на рыбах значительно быстрее, чем на людях. Почти сразу после попадания на околоземную орбиту у них начинается снижение плотности костной ткани.

Так, в научной работе был предложен порядок событий и набор генов, отвечающих за развитие у рыб медака состояния острого остеопороза в условиях орбитальной микрогравитации.

Чтобы выяснить, как организм оризии реагирует на изменения, ученые генетически модифицировали рыб, введя гены двух белков, флуоресцирующих в ответ на облучения светом с разной длиной волны. Один белок давал зеленую флуоресценцию, а другой - красную. Эти белки у рыб вырабатывались в двух типах клеток костной ткани: остеокластах, которые разрушают старую костную ткань, и остеобластах, создающих новую. В космосе почти сразу же количество обоих типов клеток заметно увеличилось по сравнению с контрольной группой рыб, находившихся на Земле.

Более того, ранние исследования показали, что изменение активности остеокластов – клеток, разрушающих костную ткань, и остеобластов – остеобразующих клеток, начинается сразу после запуска на орбиту. В подтверждение тому, эксперименты in vitro в условиях краткосрочных параболических полетов, показывали изменения в экспрессии (активности) генов и цитоскелета человеческих хрящевых клеток (хондроцитов).

В условиях микрогравитации происходит ряд изменений в состоянии тела, такие как перераспределение жидкости, повышение кровяного давления и состояние головокружения. Плотность минерализации костной массы в условиях гравитации понижается, но не ясно каким образом остеокласты или остеобласты реагируют ранее на условия орбиты.

Учеными высказана идея ап-регуляции (повышения регуляции) генов osterix, osteocalcin, TRAP и MMP9 в условиях микрогравитации: поскольку кости – это самые плотные образования в теле, клетки остеобласты и остаокласты наиболее чувствительны к разрушению в ответ на изменение гравитации.

Специфические гены костной ткани osterix, osteocalcin могут обладать способностью отвечать на изменение гравитации, поскольку их активность одновременно повышалась в условиях космического эксперимента.

Транскриптомный анализ глоточных костей у группы рыб медака, которые были в экспериментальной группе на орбитальной станции, показал выраженное повышение регуляции 2-х генов остеобластов и 3-х генов остеокластов. Более детальный аназиз состояние генов рыб, в течение первых 6-ти дней на орбите показал повышение активности в генах c-fos, jun-B-like, pai-1, ddit4 и tsc22d3.

Ранее другими исследователями было показано, что глюкокортикоидные гормоны повышают активность транскрипционного фактора AP1, который регулирует глюкокортикоидный рецептор (ГКР), связываясь с хроматином. ГКР, возможно, вовлечены и в изменение активности остеокластов, где AP-1 контролирует связывание ГКР. Также известно, что стресс повышает кровяное давление, что ведет к продукции в клетках сосудов оксида азота (NO), который и понижает давление.

Свежие исследования показали, что ГКР и NO действуют однонаправленно, в частности через изменение активности, в числе прочих, генов tsc22d3, ddit4, реагирующие на микрогравитацию в орбитальном полете.

Таким образом, предложено участие NO – ГКР сигнального пути через «микрогравитационный» стресс.