Living AeroSpace. Перспективная программа экспериментов в...

Перспективная программа

экспериментов в области

космической медицины и

биотехнологии

И.Д. Клабуков, М.Д. Алехин, С.В. Мусиенко

«Перспективная программа экспериментов в области космической медицины и биотехнологии». Издание 2-е, дополненное. 2014 г.

Обложка: Евгений Лизин (http://soft-h.deviantart.com). Работа представлена на конкурс СССР-2061 «Марс». 2011 год.

http://soft-h.deviantart.com/

1

Индустрия биотехнологического

превосходства

Перспективная программа

экспериментов в области

космической медицины и

биотехнологии

И.Д. Клабуков, М.Д. Алехин, С.В. Мусиенко

Москва 2014

3

От авторов

Основным стимулом развития космической техники, открывшимся

воображению еще задолго до первого старта ракеты Р-7, явилась тяга

человека к покорению бескрайнего пространства Вселенной.

Пионерская деятельность в области космонавтики и задач

покорения космоса со стороны русских ученых и философов Константина

Циолковского, Николая Кибальчича, Владимира Вернадского с самого

закладывала фундамент будущего строения, формируя умы

немногочисленных энтузиастов. Возведение же на этом фундаменте

реального здания могло начаться и началось только после того, как идея

использования ракет овладела умами высших государственных

деятелей, которые определяли архитектуру будущей постройки,

руководствуясь своими политическими целями, а не предсказаниями и

мечтами энтузиастов.

Практическая реализация космическая программа СССР, как и США,

уходит корнями в работы по созданию ракетного оружия. Так, после

Великой Отечественной работы по теме, ставшей космической

программой, начали генеральный конструктор Сергей Королев и

академик Мстислав Келдыш, будущий президент Академии наук СССР.

Они воплотили идеи Циолковского на чертежной доске и в металле

космодрома Байконур.

Путь человека к организации космических экспедиций был

затруднен законами природы. В XX веке биология и медицина смогли

выявить массу ограничений, которые не позволяли человеку

долговременно находиться в условиях космического полета. Однако они

же и подсказали, каким образом можно решить эти задачи. Генетика

человека и животных, клеточная биология, биология развития,

биофизика – на стыке этих наук возможно создание прикладных

технологий, которые обеспечат сверхвыживаемость млекопитающим. И

откроют путь к освоению просторов, ранее казавшихся безжизненными.

Российская история научного освоения космоса знает много побед.

Развернутая к настоящему времени медико-биологическая

инфраструктура, включающая ресурсы ИМБП РАН, ЦПК

им. Ю.А. Гагарина, ЦНИИмаш, РКК «Энергия» и других российских

4

организаций, является консервативным носителем уникального знания и

опыта, который невозможно полностью систематизировать в стандартах

и архивах. Работа с отрядом космонавтов, международными

партнерами, требует осторожной постановки новых задач и выверенной

последовательности действий при наземной подготовке экипажей.

Однако прогресс требует также и смелых технических решений и

компоновок, изменяющих «правила игры» в космическом пространстве.

Сегодня можно отметить не только многократное повторение

устаревших экспериментов сложившейся еще в СССР кооперацией

постановщиков (ИМБП РАН, ОАО «Биопрепарат», ГНЦ «Вектор» и

другие), но и невозможность предприятиям кооперации быстро

подготовить обоснования и техническую документацию на новый

космический эксперимент. В Долгосрочной программе научно-

прикладных исследований и экспериментов, планируемых на

российском сегменте МКС, 60% проблем с отмененными

экспериментами пришлись на медико-биологические исследования. В

основном причиной отмены стало отсутствие подготовленных ТЗ на КЭ,

результатов по созданию научно-технического задела, и невыполнение

работ по наземной подготовке КЭ.

ИМБП РАН, ЦПК им. Ю.А. Гагарина и кооперация сохранили

традиции и стандарты, но для развития необходимо значительно

большее. Необходимо признать, что космическая медицина - это дело не

только одного отряда, но гораздо более масштабная задача, от которой

можно ожидать серьезнейшей отдачи. Прежде всего, это касается

новейших научно-прикладных направлений:

1. Генетика стрессоустойчивости (создание трансгенных

млекопитающих, способных длительное время нормальным

образом существовать в условиях радиации);

2. Криоконсервация и проблема анабиоза (создание технологий

замедляющих метаболизм на уровне организма, либо

останавливающих его на уровне отдельного органа);

3. Биоинженерия и регенерация (воссоздание поврежденных

органов и тканей);

4. Генная инженерия и клеточная терапия (генная терапия

стрессоустойчивости, восстановление повреждений органов in

5

vivo и in vitro, создание генноинженерных живых систем

жизнеобеспечения).

5. Микрофлюидные технологии (миниатюризация космической

техники в части лабораторной и приборной базы

биомедицинского назначения).

Сегодня не может идти речи о расширении ресурсоёмкой

инфраструктуры авиационной и космической медицины – создание

космической техники требует высокой квалификации и избыточной для

повседневной жизни надежности. Однако совершенно необходимо

расширение научной базы – за счет привлечения молекулярных и

клеточных биологов, биоинформатиков и врачей клинических

учреждений, которые смогут обеспечить трансляцию биомедицинских

технологий из гражданской науки в технические задания на космические

эксперименты и приборную базу для обеспечения долгосрочных миссий.

Расширение исследовательской базы на несколько институтов

ФАНО (бывшие институты РАН) и ФМБА, и ряд клинических учреждений

Минздрава, не только бы открыло доступ космонавтике к новым

медицинским технологиям (секвенирование на чипах, микрофлюидные

датчики, омиксный анализ, регенеративная медицина, индуцированная

плюрипотентность), но и в гораздо большей степени позволила бы

транслировать «космические» медицинские технологии в гражданскую

медицину. Характерным и ярким примером является история

холтеровского монитора для непрерывного мониторинга ЭГК и

сердечного ритма, который использовался в космонавтике с 1960-х

годов, но внедрение в клиническую практику произошло только после

поступления зарубежных образцов оборудования.

6

Таблица 1. Функции организаций космической отрасли в деле освоения

человеком дальнего космоса.

Функция Ведомства и организации

Потребность в действиях для развития приоритетных

направлений космической медицины

Постановка вдохновляющих и поражающих воображение научно-технических задач освоения человеком космического пространства

Роскосмос Разработка программы обеспечения долгосрочных космических миссий, с учетом потенциала международной кооперации. Создание в структуре Роскосмоса Комиссии биомедицинского обеспечения долгосрочных миссий и перспективных медицинских задач, реализуемых на МКС и КА серии «БИОН» (помимо подкомиссии Научного совета РАН по космосу).

Приведение технических решений в соответствие со стандартами, правилами и техническими условиями

ИМБП РАН ЦНИИмаш ЦПК

Заключение соглашения Роскосмоса и ФАНО о порядке постановки научных задач перед ИМБП РАН. Расширение инструментальной, методической и испытательной базы. Разработка ведомственной программы совершенствования инфраструктурной базы ИМБП и ЦПК им.Ю.А.Гагарина в части испытательной базы человека и экспериментальной базы животных.

Разработка новых технических решений в области космической биологии медицины

Медицинские учреждения ФМБА России, Минобороны и гражданские вузы

1-я очередь. Расширение клинической базы космической медицины на ФНКЦ (КБ №83) и Институт космической медицины ФМБА, ФМБЦ им.Бурназяна и НИИ ФХМ ФМБА. 2-я очередь. Расширение научно-клинической базы на ГНИИИ военной медицины, один институт ФАНО (ИБМХ РАМН или ИМБ РАН) и один исследовательский вуз (МГТУ им.Баумана или МФТИ).

В амбициозной задаче покорения космоса есть дух, есть

радикальные технологии и есть масштаб, который должен поразить

воображение. И действенный план, действуя в соответствии с которым

можно добиться значимого результата. Поставив медико-биологическую

задачу освоения космического пространства и долговременного

7

пребывания, и решая ее самым радикальным способом, мы сможем

найти ответ для спасения здоровья сотен тысяч и миллионов людей в

России.

Решение столь значимой задачи должно ответить на вопросы,

которые сегодня звучат как фантастические:

1. Каким образом человек может более года полноценно жить в

условиях высокой радиации и состоянии невесомости? И

вернувшись в нормальные условия, счастливо продолжить свою

жизнь.

2. Каким способом можно в автономных условиях прооперировать

человека, в том числе в случае потери жизненно важных

органов или конечностей, вернув ему через некоторое время

полную работоспособность?

3. Каким образом можно построить замкнутую систему

жизнеобеспечения человека на основе симбиотических

растений, бактерий и животных?

Создание космической техники нового поколения сегодня зачастую

сталкивается с проблемой сохранения работоспособности агрегатов и

функциональных схем в течение десятков лет. В то же время в природе

можно увидеть аналогичные примеры живых систем, доказавших свою

стабильность и устойчивую работоспособность в течение многих

тысячелетий и миллионов лет. Материалы, системы, устройства и

комплексы, созданные на основе новейших «life-like» принципов,

способны нести уникальный запрограммированный функционал,

сохраняющий свою работоспособность на отрезках времени,

многократно превышающих земные стандарты продолжительности

жизни человека.

Подобный унифицированный подход «живого корабля» для

разрешения проблем со здоровьем экипажа и функционалом «живых»

приборов жизнеобеспечения должен существенно снизить риски

критического отказа, упростить замену вышедшим из стоя или

утерянным компонентам (термины «регенерация» и «апоптоз»

применительно к приборам), а также открывает возможность

модернизации систем непосредственно во время космического полета.

8

С точки зрения исторического момента, очевидно, что если и есть

какой-то смысл в русском космосе, то это точно не запуск коммерческих

болванок на орбиту. Полеты к далеким мирам - вот что сможет

вдохновить инженеров и испытателей на творческие подвиги. Вернуть на

улицу Щепкина1

мечту – значит фактически заново спланировать

программу космических экспериментов для создания перспективной

техники для долговременного пребывания человека в условиях

космического полета.

Первой работой на этом пути должна стать экспериментальная

работа «Тесей» по выявлению маркеров устойчивости человека к

экстремальным факторам космического полета. Последующее

фармакологическое или генотерапевтическое вмешательство в работу

выявленных генов стрессоустойчивости способно существенно снизить

требования к системам жизнеобеспечения, приблизив дату начала

долговременных космических миссий – как в рамках существующих, так

и перспективных пилотируемых космических аппаратов.

Сможет ли наш человек прогуляться по Марсу или будет вынужден

безвылазно сидеть на планете в подземном темном бункере? Не

вызывает сомнения, что в ближайшем будущем использование

передовых достижений биомедицины и биотехнологий станет ключевым

фактором успеха при реализации долгосрочных космических миссий.

Вопрос лишь только в том, как скоро мы сможем это осуществить.

Коллектив авторов:

Илья Клабуков

Максим Алехин

Сергей Мусиенко

2014 год

1 Почтовый адрес Федерального космического агентства: 107996, ГСП-6, г. Москва, ул. Щепкина, д. 42.

9

Содержание От авторов ……………………………………………………………………………………… 3 Часть 1. Облик перспективной программы экспериментов в области космической медицины и биотехнологии……………………………………. 10 Часть 2. Приоритетные направления программы перспективных медико-биологических экспериментов в космосе………………………. 15 Часть 3. Основные направления перспективной медико- биологической программы ……………………………………………………..…… 20 Биоинженерия органов человека ………………………………….……………. 20 Управление регуляцией генов ………………………………………………….…. 23 Искусственная кровь и управление регенерацией ………………..…… 28 Криоконсервация ………………………………………….……………………………… 30 Малоинвазивная диагностика ……………………………………………..……... 33 Синтетические биоинженерные приборы ………………………....………. 38 Производство материалов по требованию ………………………….…….. 42 Часть 4. Эксперимент «Тесей»: выявление молекулярных маркеров устойчивости человека к развитию патологий в условиях космического полета ……………………………….………………………………….. 46 100-YearStarship – Столетний звездолет …………………………....……… 64 MELiSSA Project ………………………………………………………………….………… 66 Приложение 1. Перечень космических экспериментов по направлениям «Человек» и «Биотехнологии» в Долгосрочной программе космических экспериментов …………………………………… 67 Приложение 2. Перспективные задачи медико-биологического обеспечения долговременных космических полетов ……...………. 70 Приложение 3. Организационная структура постановки и выполнения перспективных космических экспериментов ……. 72 Приложение 4. Научная кооперация ……………………………………….… 74 Приложение 5. Риски и критические технологии пилотируемой космонавтики по мнению специалистов NASA …………………………. 78 Список литературы ………………………………………………………………..……. 81 Коллектив авторов ..……………………………………………………………………. 83

10

Часть 1. Облик перспективной

программы космической

медицины и биотехнологии

С момента начала освоения человечеством космического

пространства мечта долговременного пребывания и освоения

космического пространства и чужих планет до сих пор еще не была

реализована. Уже первые работы в области космической биологии и

медицины показали всю сложность решения таких задач, требующие

совершенно новых знаний и понимания фундаментальных проблем.

Последнее десятилетие успехи биотехнологий шагнули далеко вперед,

открывая перед человечеством огромные возможности в области

здоровья и качества жизни. Использование последних достижений для

применения в космических условиях может дать огромный выход и

самые неожиданные применения для долговременных космических

полетов, создания новой компонентной базы для космического

приборостроения и решение фундаментальных проблем наук о жизни.

Целями программы являются:

Использование современных достижений в области

биомедицины, генетики, робототехники и фармацевтики для

создания систем медицинского обеспечения пилотируемых

космических полетов, включая перспективные полеты на другие

планеты.

Экспериментальная отработка перспективных свойств

биологических объектов и организмов, способных длительное

время функционировать, в том числе в условиях открытого

космоса, для получения перспективных биоматериалов и

биопродуктов.

Изучение взаимодействий между живыми системами,

характерные для симбиотических отношений, с целью

11

проектирования биоценоза «Живого корабля» для создания

замкнутых систем и единого подхода к обслуживанию как

систем корабля, так и уходу за членами экипажа.

Космическая биология и медицина – область биомедицинских

исследований и технологий, изучающая взаимодействие живой системы

со всеми факторами космического пространства (невесомость,

космическое излучение, искусственная среда обитания в герметичном

замкнутом объеме космического аппарата). Она является

самостоятельной областью научных знаний и важным элементом

практики пилотируемой космонавтики, во многом определяющим

состояние и перспективы освоения человеком космического

пространства.

Рис. 1. Сравнительный вклад различных направлений в «сумму космических

технологий» (по состоянию на 2012 год).

К приоритетным направлениям развития отечественной космической

биологии и медицины на ближайшую перспективу относятся:

повышение информативности используемых методов

непрерывного мониторинга, диагностики и прогнозирования

изменений со стороны здоровья членов экипажа, их

работоспособности за счет использования диагностической

12

платформы анализа генома, метаболома, эпигенома,

транскриптома, микробиома и биомаркеров здоровья человека;

определение допустимых пределов развития адаптационных

перестроек в условиях космического полета, в рамках которых

все изменения в организме поддаются корректировке,

обратимы и безопасны;

развитие бортовой телекоммуникационной медицины,

связанной как с расширением возможностей медицинского

контроля за состоянием здоровья человека в полете, так и

оказанием консультативной диагностики и лечения в случае

возникновения заболеваний.

генетический отбор и биоинформационный анализ в отборе и

программе подготовки к космическим полетам;

использование генной терапии, регуляции экспрессии генов для

подготовки экипажей к длительному космическому полету;

отработка робототехнических средств и телемедицинских

систем оперативной хирургии в условиях космического полета;

внедрение разработанных средств, аппаратуры, оборудования и

технологий, используемых в космонавтике, в здравоохранение и

народное хозяйство.

Специалистами NASA в рамках Программы исследования человека

(HRP) были отобраны 31 существенная проблема освоения человеком

ближнего и дальнего космоса. В удовлетворительном виде данный

перечень проблем приведен в Приложении 2. Риски и критические

технологии пилотируемой космонавтики по мнению специалистов

NASA, однако для использования он потребует доработки в соответствии

с концепцией программы в части масштабов терапевтических

воздействий.

Анализ результатов, полученных в области космической

биотехнологии при реализации предыдущих проектов, а также

перспективный облик необходимых для решения задачи освоения

дальнего космоса проблем, позволил определить перспективные задачи

для проведения работ, в том числе на МКС, на современном этапе.

Примерный перечень необходимых к созданию прикладных разработок

13

перечислен в Приложении 1. Перспективные задачи медико-

биологического обеспечения долговременных космических полетов.

Рис. 2. Иллюстрация «живого корабля»2.

Сегодня в области перспективной космической биотехнологии

можно выделить 5 основных приоритетных направлений, развитие

которых может дать ощутимый результат уже в самое ближайшее время:

I. Здоровье экипажа. Одним из основных факторов, негативно

сказывающихся на здоровье членов экипажа во время длительного

космического полета, является влияние ионизирующего излучения,

особенно космической радиации.

II. Биоконструкционные материалы. Перспективным является

использование синтетических микроорганизмов для получения

прочных конструкционных материалов в условиях космоса.

III. Жизнеобеспечение и энергетические системы. Функционирование

системы жизнеобеспечения современной орбитальной станции

связано с постоянным восполнением необходимых ресурсов, а

также удалением из системы больших объемов различных веществ

таких, как отходы жизнедеятельности экипажа и отходы

функционирования самой системы жизнеобеспечения.

2 В качестве модели использован звездолет Serenity из сериала Firefly.

14

IV. Биосенсоры и системы контроля. Концентрация множества

различных биоценозов и организмов на единой платформе

пилотируемого аппарата несет на себе риски внезапного появления

и развития условно-патогенных организмов.

V. Синтетические биоинженерные приборы. В экстремальных условиях

отсутствия ресурсов, проблем с транспортировкой и невозможности

рассчитывать на стороннюю помощь, задачи управления и

жизнеобеспечения должны решаться техникой нового поколения.

15

Часть 2. Приоритетные

направления создания «живого

пилотируемого аппарата» для

обеспечения долгосрочных

космических миссий

I.Здоровье экипажа

Одним из основных факторов, негативно сказывающихся на

здоровье членов экипажа во время длительного космического полета,

является влияние ионизирующего излучения, особенно космической

радиации. В настоящее время эти явления изучены недостаточно. Для

обеспечения безопасности длительных космических полетов

необходимо изучить влияние космической радиации сначала на

простейшие живые организмы. При получении адекватных результатов

исследований можно дать научно обоснованный ответ о радиационной

опасности и разработать комплекс мер по поддержанию здоровья

экипажа во время длительных космических полетов.

Необходимо протестировать уже существующие перспективные

разработки в области инженерии микроорганизмов на предмет их

адекватного функционирования в условиях невесомости,

исследовать доступные биоблоки (последовательности и генные

сети) на предмет снижения последствий воздействия радиации и

других космических факторов.

Необходимо сосредоточить усилия на разработке автономно

функционирующих средств внутри тела членов экипажа, как

перепрограммируемые биологические объекты (терапевтические

вирусы и иные средства генной терапии; инкапсуляция

лекарственных соединений; тераностические средства) для

избирательной доставки лекарств; инженерия пробиотиков, а

16

также синтетических соединений снижающих уже полученную

тяжелую дозу облучения.

Необходимо начать разработку и внедрение методов генной

терапии и инженерной биологии, которые будут способны

практически полностью устранить вредные последствия для

человеческого организма от длительного пребывания в условиях

космического полета, а также исследовать возможность

частичного перепрограммирования геномов членов экипажа.

II. Биоконструкционные материалы

Перспективным является использование синтетических

микроорганизмов для получения прочных конструкционных материалов

в условиях космоса. Например, частичное изменение генома почвенной

бактерии Sporosarcina Pasteurii, позволит существенно увеличить выход

кальцита в результате микробной индуцированной химической реакции.

Этот материал действует в роли связующего, подобно портландцементу

в бетонных конструкциях. Таким образом, становится возможным

получить надежный строительный материал по своим физическим

свойства близкому к песчанику. При этом можно существенно

уменьшить вес доставляемых с Земли материалов, используя схожие с

песком вещества с поверхности планет. Необходимым условием для

протекания индуцированной микробной реакции является наличие

источников кальция и мочевины.

Необходимо сосредоточить усилия на совершенствовании

существующих технологий получения биоконструкционных

материалов в земных условиях, а также поиске новых

микроорганизмов обладающих необходимыми свойствами.

Необходимо изучить возможности и отработать методы

совместного культивирования необходимых бактерий с

фотосинтетическими и азотофиксирующими организмами для

обеспечения замкнутого цикла получения биоконструкционных

материалов.

Необходимо изучить свойства и методы получения

самоструктурирующихся биоматриц и возможности создания

17

суперкомпозитных материалов с новыми свойствами на их

основе.

III. Энергетические системы и жизнеобеспечение

Функционирование системы жизнеобеспечения современной

орбитальной станции связано с постоянным восполнением необходимых

ресурсов, а также удалением из системы больших объемов различных

веществ таких, как отходы жизнедеятельности экипажа и отходы

функционирования самой системы жизнеобеспечения. Перспективным

видится использование генетически перепрограммированных

микроорганизмов для повышения эффективности использования

традиционных методов космической биотехнологии.

Необходимо провести исследования микроорганизмов,

выращенных в условиях микрогравитации для достижения

жизнеспособности и стабильности поведения генетически

модифицированных биологических объектов, при этом стоит

уделить внимание особенностям протекания процессов

ферментации с учетом факторов длительного космического

полета.

Необходимо разработать опытные образцы полузамкнутых систем

жизнеобеспечения на основе использования возможностей

генетически модифицированных организмов с улучшенными

способностями фильтрации, концентрации и переработки

необходимых веществ, при этом работоспособных в условиях

радиации и микрогравитации.

Необходимо достичь цели создания замкнутых систем поддержки

жизнеобеспечения, независимых от внешнего пополнения

запасов продуктов питания, с полностью биологически

контролируемым содержанием кислорода и углекислого газа, при

этом для создания такой транспортируемой автономной среды

обитания должны быть использованы и высшие организмы с

улучшенной функциональностью за счет перепрограммирования

отдельных участков генома.

18

IV. Биосенсоры и системы контроля

Концентрация множества различных биоценозов и организмов на

единой платформе пилотируемого аппарата несет на себе риски

внезапного появления и развития условно-патогенных организмов,

повышенный мутагенез в условиях постоянного стресса, радиационное

воздействие. Существующие прототипы биосенсоров основаны на

периплазмическом связывании белков, фиксации наличия

определенных ДНК и РНК. Перспективным направлением в области

детекции новых форм жизни в условиях космического пространства

является разработка биосенсоров, которые способны регистрировать

отдельные характерные физические явления.

Необходимо изучить все возможные факторы воздействия на

ответную реакцию биосенсоров, свидетельствующую о наличии

новых форм жизни, и провести их валидацию в земных условиях.

В связи с увеличением дальности космических полетов

необходимо уделить особое внимание методам обеспечения

стабильной работы биосенсоров в течение долгого времени, для

чего следует произвести продолжительные наземные

исследования с симуляцией различных условий космического

полета.

Приоритет в области детекции форм жизни необходимо сместить

в область разработки мультифункционалных сенсоров, которые

будут способны одновременно регистрировать наличие

косвенных факторов.

19

V. Синтетические биоинженерные приборы

Современные достижения инженерной биологии позволяют

прогнозировать создание в ближайшем будущем биологических систем

по своему назначению аналогичных кремниевой электронике, начиная

от солнечных батарей до логических управляющих схем, способных к

работе и воспроизводству в экстремальных условиях – на основе

созданных алгоритмов биологических процессов, позволяющие

создавать биологические системы непревзойденной сложности. Сейчас

средствами генетической инженерии возможно производство многих

типов материалов – топлива, продуктов питания, конструкционных

материалов, из различного типа органического сырья (как правило,

глюкозы) и в нужном количестве.

Необходима разработка технологии быстрого и дешевого синтеза

последовательностей ДНК и РНК наряду с созданием

информационных систем для автоматизации проектирования

функциональных участков геномов (реализация алгоритмов в

клетке), а также разработать базы данных о функционале

кодирующих участков ДНК.

Необходима разработка инструментария проектирования

сложных симбиотических живых систем и простейших

многоклеточных организмов, в том числе проектирование

функциональных (фармацевтических, терапевтических и пр.)

организмов микробиома человека.

Необходима реализация биоинженерных приборов и систем,

способных на восстановление утраченных модулей за счет

резервов. Проектирование живых организмов, в частности

методы компьютерного моделирования, позволят приблизиться к

пониманию и условиям функционирования сложных биоценозов

(каким и является сам «живой корабль»), в том числе решить

проблему адресных межклеточных коммуникаций.

20

Часть 3. Основные направления

перспективной медико-

биологической программы

1. Биоинженерия органов человека

Цель программы

Создание органов и тканей из собственных клеток человека

методом воссоздания натурального органа – нанесения

клеточного покрытия на белковый или синтетический каркас с

использованием ростовых факторов для управляемой

дифференцировки стволовых клеток.

Актуальность

Полноценное восстановление здоровья человека после ранений,

травм, заболеваний или даже потери жизненно-важных органов

представляет собой одну из важнейших задач не только военной

медицины, но и общественного здравоохранения. Снижение смертности

и инвалидизации технологически можно достичь ускорением

регенерации поврежденного органа или ткани, оперативной

трансплантацией донорского органа, созданием биоинженерного органа

из собственных клеток человека.

Хроническая нехватка донорских органов, доступных для

трансплантации, длительность ожидания операции, срочность операции,

исключительная дороговизна традиционной пересадки органов и

проблемы иммуносовместимости донорских тканей создают

необходимые предпосылки для поиска альтернативных, более

экономичных и эффективных стратегий трансплантации органов.

Проблемами регенерации и тканевой инженерии в настоящее

время занимаются значительное число научных групп по всему миру.

Большинство решаемых ими задач связано либо с практическими

задачами восстановления кожи, костей, либо с фундаментальными

исследованиями стволовых клеток различных ниш. Широкому

21

использованию экспериментальных разработок препятствует

необходимость персонализированного подхода к каждому пациенту.

Концепция создания биоинженерных органов включает в себя

получение стволовых клеток (спинной мозг, жировая ткань, iPS), их

культивацию и управляемую дифференцировку на натуральном или

синтетическом каркасе. Наибольший эффект в настоящее время

достигается на трубчатых органах, в частности сегодня получила

клиническое развитие технология выращивания биоинженерных сосудов

человека.

Развитие биоинженерии органов во многом связывается развитием

технологий организации клеток и неоваскуляризации. С этим связаны

проблемы создания моделей пространственной организации клеток

органа человека, например для задач гистологического контроля,

создания алгоритмов 3D-биопринтинга, организации внеклеточных

матриксов и других задач. Направление 3D-биопринтинга представляет

особый интерес, как универсальное решение для автономной работы с

биополимерами и конгломератами клеток.

Технологии создания биоинженерных органов человека из

собственных клеток позволит не только решить медицинские проблемы

обеспечения долгосрочных космических миссий, но и совершить

огромный шаг вперед для развития общественного здравоохранения.

Перспективные эксперименты в данной области включают работу по

изучению дифференцировки клеток, включая трансдифференцировку,

создание трехмерных матриксов методами электроформования и

стереолитографии, эксперименты с новыми наборами ростовых

факторов и др.

Критические технологии

разработка механизмов дифференцировки и

трансдифференцировки клеток, в том числе методами генной

инженерии;

разработка методов трехмерного культивирования клеток с целью

выращивания тканей и органов для трансплантации;

развитие методов репродуктивной медицины, в том числе

биологии половых клеток;

22

моделирование тканей и органов вне организма (тканевая

инженерия);

поиск клеточных механизмов развития опухолей, исследование

опухолевых стволовых клеток, клеток как средства доставки

противоопухолевых агентов;

разработка технологий применения клеточных препаратов для

лечения заболеваний человека и животных, включая методы

предтрансплантационной подготовки клеточного материала,

трансплантации клеток, идентификации, визуализации и

мониторинга функций трансплантированных клеток в организме;

разработка технологий трансплантации стволовых и направленно

дифференцированных клеток с искусственным внеклеточным

матриксом, в том числе наноструктурированным;

разработка иммуномодулирующих препаратов, основанных на

применении белков и макромолекулярных комплексов,

воздействующих на процессы активации клеток иммунной

системы;

разработка подходов к контролю иммунорегуляторных клеток с

целью терапии рака и аутоиммунных заболеваний;

разработка клеточных моделей для тестирования эффектов

фармакологических средств в искусственных условиях;

развитие методов быстрого протеомного и геномного анализа

стволовых и прогениторных клеток.

разработка методов микрохирургии клеток и клеточных структур,

в том числе с использованием нанотехнологий.

23

2. Управление регуляцией генов


Изменение регуляции отдельных генов в ДНК клетки для

повышения жизнеспособности, увеличения продолжительности

жизни и выделения нужных качеств. Создание технологий

диагностики, связывающих результаты ДНК-анализа,

эпигенетики, транскриптома и метаболома человека – с его

медицинскими и поведенческими характеристиками. Создание

технологий, повышающих устойчивость к радиационному

излучению в клетках человека.


Эпигенетика – направление генетики, сравнительно недавно

оформившееся в самостоятельную область исследований. Но уже

сегодня эта молодая динамичная наука предлагает революционный

взгляд на молекулярные механизмы развития живых систем.

Одна из наиболее дерзких и вдохновляющих эпигенетических

гипотез о том, что активность многих генов подвержена влиянию извне,

сейчас находит подтверждение во множестве экспериментов на

модельных животных. Исследователи осторожно комментируют их

результаты, но не исключают, что и человек не в полной мере зависит от

наследственности, а значит, на нее возможно целенаправленно

воздействовать.

Эпигенетические изменения сохраняются в ряде клеточных

делений, а также могут передаваться следующим поколениям при

мейозе. При этом, они не вызывают каких-либо изменений в

последовательности ДНК и приводят к дифференциальной экспрессии

генов.

Эпигенетику можно определить как процесс взаимодействия

генотипа организма со средой при формировании фенотипа. Она изучает

механизмы, при помощи которых, на основе генетической информации,

заключенной в одной клетке (зиготе), за счет различной экспрессии

генов в различных типах клеток, может осуществляться развитие

многоклеточного организма, состоящего из дифференцированных клеток.

24

Одним из примеров эпигенетических изменений у эукариот

является процесс клеточной дифференциации. Во время морфогенеза

тотипотентные стволовые клетки формируют различные

плюрипотентные клеточные линии эмбриона, которые в свою очередь

дают начало полностью дифференцированным клеткам. Другими

словами, одна оплодотворенная яйцеклетка — зигота —

дифференцируется в различные типы клеток, включая: нейроны,

мышечные клетки, эпителий, эндотелий сосудов и др., путем

множественных делений. Это достигается активацией одних генов, и, в

то же время, ингибированием других, с помощью эпигенетических

механизмов.

Молекулярная основа эпигенетики достаточно сложна при том, что

она не затрагивает структуру ДНК, а изменяет активность определенных

генов. Это объясняет, почему в дифференцированных клетках

многоклеточного организма экспрессируются только гены, необходимые

для их специфической деятельности. Особенностью эпигенетических

изменений является то, что они сохраняются при клеточном делении.

Известно, что большинство эпигенетических изменений проявляется

только в пределах жизни одного организма. В то же время, если

изменение в ДНК произошло в сперматозоиде или яйцеклетке, то

некоторые эпигенетические проявления могут передаваться от одного

поколения к другому.

В рамках эпигенетики широко исследуются такие процессы как

парамутация, генетический букмаркинг, геномный импринтинг,

инактивация Х-хромосомы, эффект положения, материнские эффекты, а

также другие механизмы регуляции экспрессии генов.

В эпигенетических исследованиях используется широкий спектр

методов молекулярной биологии, в том числе — иммунопреципитация

хроматина (различные модификации ChIP-on-chip и ChIP-Seq),

гибридизация insitu, чувствительные к метилированиюрестриктазы,

идентификации ДНК-аденин-метилтрансферазы (DamID) и

бисульфитноесеквенирование. Кроме того, все большую роль играет

использование методов биоинформатики (компьютерная эпигенетика).

Создание критических технологий управления геномом

обеспечивает решение задач молекулярной медицины, промышленной

25

биотехнологии и сельского хозяйства за счет расшифровки генетической

информации на всех уровнях ее реализации. К таким уровням относятся,

помимо собственно генома, совокупность всех РНК клетки

(транскриптом), эпигенетических состояний ДНК клетки (эпигеном),

белков (протеом) и белковых комплексов (интерактом), набор

эндогенных метаболитов (метаболом), совокупность геномов экосистем

(метагеном).

Изолированные микробные сообщества, возникающие в отделах

человеческого тела (микробиота человека), за счет наличия множества

регуляторных и метаболических цепочек полностью характеризуют

состояние организма-хозяина. С учетом накопленной на сегодняшний

день информации по генетическому разнообразию микроорганизмов

возможно путем оценки микроэкологического статуса микробиоты

полностью охарактеризовать и среду ее обитания, в том числе

заболевания или нарушения в живых организмах. Более того в ряде

случаев возможно выработать рекомендации по изменению

микробиоты с целью изменения состояния надсистемы (влияние на

патологические процессы, аугментация человека, изменение поведения).

Технология высокоэффективного молекулярного профилирования

указанных уровней реализации генома имеет определяющее значение

для решения следующих задач здравоохранения: индивидуализация

врачебного подхода к пациенту, увеличение эффективности и снижение

побочного действия при лекарственной и иммунокорригирующей

терапии, создание новых и расширение области применения

существующих лекарств, улучшение качества профилактики заболеваний,

повышение возможностей и доступности средств медицинской

диагностики.

Использование оригинальных идей применения накопившихся к

настоящему времени научных знаний и уровня развития системной

биологии и биотехнологий позволяет решать задачу по значительному

повышению стрессоустойчивости по отношению к большинству видов

стресса и соответственно - существенному расширению возможностей

человека.

Дело в том, что эволюционно обусловленный уровень стрессовой

устойчивости человеческого организма является все более заметным

26

ограничением в целом ряде сфер хозяйственной деятельности. Так,

например, чрезвычайно ограничены возможности нормальной

человеческой деятельности в условиях холода, жары, загрязнения

окружающей среды, “грязных” производств, в ходе чрезвычайных

ситуаций (катастрофы различного характера, применение ОМП),

экстремального психологического стресса, существенно снижены

возможности освоения человеком космоса из-за ионизирующего

излучения. Неспособность справляться с теми или иными стрессами,

вызванными различными заболеваниями и состояниями ограничивает

возможности современной медицины для применения радиотерапии и

химиотерапии в лечении различных заболеваний, криоконсервации

тканей и органов.

В Российской Федерации и в мире разрабатывались и продолжают

разрабатываться фармакологические и иные средства, направленные на

расширение возможности выживания и обеспечения продуктивной

работы человека в экстремальных условиях. Однако именно научные и

технологические достижения последних лет впервые позволяют

систематически сформулировать и решить задачу по идентификации

генов, связанных с активацией систем организма, ответственных за

стрессовую устойчивость.

Наиболее показательной экспериментальной работой станет

передача образцов препаратов активации стрессоустойчивости

животных для проведения экспериментов в условиях космического

полета и экспонирования в условиях космической радиации во время

пилотируемых полетов и на КА серии «Бион».


разработка генно-терапевтических средств, в том числе на основе

РНК-интерференции;

разработка технологий повышения чувствительности и

производительности методов детектирования белков в

биоматериале;

разработка методов и технологической базы протеомики,

транскриптомики и метаболомики, технологий сборки

минимального генома, способного к воспроизведению;

27

разработка методов метаболической инженерии промышленных

микроорганизмов с использованием геномных данных, геномная

паспортизация штаммов промышленных микроорганизмов и

сортов сельскохозяйственных растений;

идентификация генов, определяющих устойчивость растений к

фитопатогенам и неблагоприятным условиям окружающей среды,

по результатам расшифровки и функциональной аннотации

геномов сельскохозяйственных растений и их диких предков;

разработка высокопродуктивных надорганизменных комплексов,

в которых питание, развитие, репродукция и адаптация растений

осуществляются благодаря взаимодействию с симбиотическими

микроорганизмами при минимальном использовании

агрохимикатов.

28

3. Искусственная кровь и управление

регенерацией


Создание технологий получения клеточных продуктов человека

в нужном месте и необходимом количестве, как вне организма –

так и внутри него. Наиболее важным таким продуктом является

безопасная и нетоксичная искусственная кровь, идентичная

донорской. Развитием этого направления является создание

технологии бескаркасного выращивания ткани, органа или

целой части организма из единственной его клетки.


В последнее десятилетие доказана технологическая возможность

выбрать из большой популяции всего одну клетку, захватить ее, внести

необходимые изменения в ее ДНК, а также, если необходимо,

размножить. У разработки самый широкий круг применения — от

защиты от биологического оружия до понимания природы

злокачественных опухолей.

Переливание крови является наиболее из распространенных

медицинских методик. 96 миллионов переливаний совершаются

ежегодно для терапии острого кровотечения или хронической анемии,

или для облегчения сложных хирургических вмешательств. Тем не менее,

существует ряд ограничений. Первым из них является нехватка

донорской крови. По оценкам Всемирной организации здравоохранения

(ВОЗ), в мире у доноров ежегодно берется 80 млн. единиц крови, в то

время как потребность в этом жизнетворном веществе постоянно растет.

Второй проблемой является передача инфекций при переливании крови.

Хотя в развитых странах очень низкая вероятность передачи вирусов

таких как ВИЧ, гепатит В, гепатит С, в развивающихся странах эта

проблема значительна. Третья проблема это несовместимость крови.

Возникают трудности при переливании крови некоторым пациентам,

например с талассемией или серповидно-клеточной анемией, что

связано с различием антигенов группы крови между пациентом и

донором. Наконец, накапливаются доказательства, подтверждающие

29

опасения, что переливание эритроцитов само по себе может привести к

неблагоприятным последствиям, что усугубляется при длительном

хранении.

В последние несколько лет велись активные разработки технологий,

позволяющих культивировать клетки, результатом дифференцировки

которых были бы полноценные эритроциты. Реализация программы

Blood Pharming (DARPA) позволила создать такую клеточную культуру при

помощи воспроизведения естественных условий кроветворения в

человеческом организме. Благодаря уникальным свойствам

гемопоэтических стволовых клеток (клеток, из которых впоследствии

развиваются все клетки крови) появилась возможность воспроизведения

неограниченного объема полноценной эритроцитарной массы. На

данном этапе производятся клетки первой отрицательной группы

(универсального донора).

Производство in vitro компонентов крови человека представляет

собой самое востребованное сегодня направление биоинженерного

производства. В настоящее время в России можно выделить ряд

проектов, направленных на получение методами клеточной биологии

различных компонентов – гемопоэтических клеток, эритроцитов,

отдельных белков плазмы крови.

Существенной задачей на пути развития производства

человеческой крови является создание подходящего биореактора.

Подобная инженерная задача по созданию прототипа промышленного

производства может быть решена при создании суспензинного

биреактора для различных типов клеток.


создание персональных клеточных препаратов на основе

индуцированных плюрипотентных стволовых клеток;

разработка технологий выделения и выращивания культур клеток

с заданными свойствами, в том числе стволовых и прогениторных

клеток;

разработка методов регуляции направленной миграции

стволовых и прогениторных клеток в зону повреждения ткани.

30

4. Криоконсервация


Создание технологии длительного низкотемпературного

хранения и последующего восстановления человеческих

органов, необходимых для последующей трансплантации.


Транспортировка и трансплантация органов для нужд госпиталей

как в мирное, так и в военное время несет в себе ряд сложностей. В

частности, использование донорских органов возможно только при

наличии показаний, зависит от совместимости донора и реципиента, а

также доступности необходимых органов. Кроме того, требуется

длительная подготовка к проведению процедуры, наличие

высокоспециализированного оборудования и

высококвалифицированных специалистов. Учитывая узкие временные

рамки между забором органов и трансплантацией, обусловленные

отсутствием адекватных подходов к длительному хранению органов, в

настоящее время оперативный подбор подходящего донорского органа

ограничен.

Решение заключается в эффективной криоконсервации целых

органов без нарушения их функционального состояния. Помимо

увеличения сроков проведения операции, такие технологии позволяют

создавать банки донорских органов и тканей долговременного хранения.

Глобальная потребность в научно-технологичных прорывах и

обеспечении доступа к человеческим органам для их трансплантации как

никогда велика. Потенциальная ценность развития технологий

криосохранения и восстановления человеческих органов огромна по

нескольким причинам.

Во-первых, данные технологии позволят длительное время

сохранять внутренние органы человека, имеющие небольшое

временное окно поддержания жизнеспособности после изъятия у

донора. Это позволит значительно повысить эффективность и понизить

стоимость замены органов и в тоже время снять существующие

географические и временные ограничения при трансплантации органов.

31

Во-вторых, благодаря растущим достижениям в области тканевой

инженерии, криоконсервация может также обеспечить возможность

хранения и замены органов, созданных из стволовых клеток самих

пациентов, вместо того, чтобы дожидаться подходящего донора.

В-третьих, прогресс в области криоконсервации человеческих

органов будет иметь важное значение для специалистов в различных

сопутствующих дисциплинах, например, технологиях клеточной терапии

и восстановления регенеративных способностей.

Случаи успешной трансплантации криоконсервированных органов

редки, как правило, в таких случаях речь может идти не о

восстановлении после размораживания целого органа, а о присутствии в

размороженном органе отдельных областей живой ткани. Другими

словами, выживает после криоконсервации не орган как единое целое, а

участки ткани, которые могут после трансплантации успешно прижиться

(например, при трансплантации размороженной яичниковой ткани).

Случаи успешной криоконсервации теплокровных животных (в том числе

человека) до сих пор не зафиксированы. В настоящее время не

существует методов, обеспечивающих выживание

криоконсервированных людей, иных млекопитающих животных, а также

птиц.

В настоящее время разработаны и успешно применяются в

медицине, сельском хозяйстве и научном эксперименте методы

криоконсервации клеточных культур, тканей (кровь, сперма), ранних

(преимплантационных) эмбрионов. Изолированные органы плохо

переносят криоконсервацию, методы криоконсервации целых органов

не разработаны, эффективность их низкая.

Создание технологий криоконсервации могло бы уже в самое

ближайшее время решить проблему хранения донорских органов –

путем создания банков соответствующих органов. В настоящее время

хранения органа при +4 С от изъятия у реципиента до пересадки донору

не превышает 24 часов.

Альтернативой краткосрочной криоконсервации является создание

биоинкубатора для хранения изолированного органа или его составных

частей, например, органоидов печени.

32


изучение технологий обратимого анабиоза и гибернации у

животных, например связанные с подавлением активности

цитохрома С-оксидазы;

создание техники поддержания необходимого температурного

режима с минимальным градиентом;

создание новых типов криопротекторов;

разработка методов предотвращения рисков повреждения тканей

при криоконсервации;

создание технологий циклического приложения давления;

технологии тканевой инженерии при восстановлении прошедших

криоконсервацию органов.

33

5. Малоинвазивная диагностика


Создание систем на новых физических принципах, приборов и

биочипов, которые позволят проводить мониторинг состояния

здоровья человека в реальном времени и оперативно

реагировать на внезапно возникающие эпидемии, патогены или

применение бактериологического или биологического оружия.


Последние десять лет, прошедшие с момента опубликования

драфта генома человека лавинообразно накопили и продолжают

накапливать информацию о жизнедеятельности организма человека в

норме и при развитии патологических процессов, принципах

организации сложных сообществ микроорганизмов, населяющих наше

тело и генах вирулентности этих бактерий, а также многочисленных

новых вирусах и фагах. Такое драматическое изменение характера и

объема публично доступных данных меняет парадигму современных

исследований: из узкоспециальной деятельности отдельной

лаборатории любое научное исследование начинается с анализа данных,

накопленных в информационных базах данных, оценки их качества и

затем планирования поиска и валидации маркеров с использованием

уже полученных массивов информации. Естественно, поэтому, что в

таких проектах арсенал омиксных и биоинформационных технологий

разворачивается максимально полно, так как требуется в

исследовательской части проектов задействовать весь спектр

существующих подходов.

Целью интерпретации омиксных данных человека является

создание методов и решений для следующих ситуаций:

1. Раннее предупреждение заболеваний в условиях крупного

стационарного учреждения здравоохранения. В данных условиях

определение числа необходимых к измерению параметров и

интерпретация их результатов способна предсказать ранее развитие

заболеваний (возраст-зависимые, онкологические, иммуно-дефицитные)

и указать на риски и нормированный уровень здоровья человека.

34

Внедрение даже опытной практики подобного уровня потребует

обучения врачей (терапевтов, онкологов и иммунологов).

2. Обследование личного состава в стационарных или полевых

госпиталях на предмет выявления скрытых рисков, состояний, уровня

стресса и т.д. Подобные системы, организованные в дальнейшем в

системах непрерывного контроля параметров, должны отличаться

простым и точным правилом принятия решений. Использование

подобных систем может потребовать разработки специального

программного обеспечения, использующего интуитивно-понятный

интерфейс и терминологию для использования младшим медицинским

персоналом.

3. Мобильные системы коллективного обслуживания, способные в

непрерывном режиме существенно уточнять данные сердечного ритма и

общего биохимического анализа крови. Использование таких систем

необходимо для контроля параметров состояния здоровья человека в

реальном времени и контроля за омиксными параметрами после

установки имплантов, трансплантации биоинженерных органов и тканей,

синтетических органов. Перспективно применение таких систем для

автоматизированной сортировки раненых (в том числе для

использования в эвакуационно-реанимационном модуле).

Молекулярная диагностика инфекционных, онкологических,

аллергических, аутоиммунных и конформационных заболеваний не

базируется на универсальных методах и отличается в разных странах.

Широко применяют методы иммуноферментного и

иммунофлуоресцентного анализа, метод обратной транскрипции (ОТ) с

последующим проведением ПЦР с электрофоретической детекцией или

гибридизационно-флуоресцентной детекцией продуктов в реальном

времени, методы прямой и обратной молекулярной гибридизации

нуклеиновых кислот (МГНК).

Основными тенденциями развития диагностических систем

являются миниатюризация индивидуальных одноразовых микрочипов и

использование микрофлюидных систем, мультиплексный анализ

нескольких генетических маркеров, обеспечивающие возможность

своевременной диагностики в удалённых районах без дорогостоящего

оборудования и специализированного персонала. Применительно к

35

анализу веществ, весьма перспективными являются оптические методы,

основанные на эффекте рамановского рассеяния, поскольку получаемый

в результате спектр определяется вибрационными степенями свободы

молекулы, формируя, таким образом, своеобразный «отпечаток пальца»

каждого конкретного вещества. Это сделало возможным детектирование

веществ сверхмалых концентраций и существенному расширению

прикладного значения данного метода применительно к задачам

медицины, микробиологии и генной инженерии.

Прогресс в области минимально-инвазивной и неинвазивной

терапии непосредственно связан с развитием инструментов получения

изображения высокой разрешающей способности для диагностики и

направления хирургических инструментов. Микросистемное

проектирование, нанотехнологии, и особенно лазерные технологии

способствовали развитию требуемых миниатюрных

высокотехнологичных медицинских устройств.

Отметим, что в настоящий момент применение бесконтактных

методик диагностики, в том числе на основе комбинационного и

гигантского комбинационного рассеяний, активно исследуется во всем

мире. Данные методы находят все новые и новые применения в

различных областях науки и техники. В.П. Жаров (UAMC) опубликовал

ряд научных исследований, в которых прослеживается возможность

идентификации различных веществ в крови человека, вплоть до

отдельных молекул, например, микробов или маркеров различных

заболеваний.

Развитие и доступность технологий микроэлектроники привело к

появлению аналитических систем на основе микрофлюидных устройств

(МФУ), позволяющих осуществлять уникальные манипуляции с

микроколичествами жидкой или газообразной пробы. Такие системы

получили название «лаборатория на чипе». Объединение всех стадий и

этапов аналитического определения в одном компактном устройстве

дает возможность проводить анализ пробы в микроформате с высокой

чувствительностью, точностью и экспрессностью определения

компонентов. Разработка и создание отечественной приборной базы на

основе МФУ позволила бы отказаться от импорта дорогостоящего

36

оборудования и создать системы с техническими характеристиками, не

уступающими лучшим зарубежным образцам.

Последовательный перенос результатов исследований предыдущих

этапов на аппаратную базу на основе микрофлюидных технологий

позволит производить анализ биологических проб (в частности,

фрагментов ДНК, РНК, белков), превосходящую соответствующие

макроаналоги: уменьшение объема анализируемой пробы (в 2-5 раз) и

времени определения в 10 раз) при сопоставимом пределе

обнаружения и динамическом диапазоне.

Использование микрофлюидных чиповых технологий позволяет

создавать устройства и приборы нового технологического уровня,

обладающими рядом существенных преимуществ по сравнению с

классическими приборами и технологиями. К преимуществам таких

приборов можно отнести: портативность; значительное снижение

расхода дорогостоящих реагентов и образцов; существенное

уменьшение потребления энергии; возможность интегрирования с

микросистемами полного анализа; минимизацию человеческого фактора

в проведении лабораторного анализа.


разработка комплексов автоматизированной

многопараметрической молекулярной диагностики для

паспортизации, выбора оптимальной стратегии лечения и (или)

повышения индивидуальной устойчивости к вредным внешним

воздействиям (стресс, медикаментозная терапия, вредные

привычки, вакцинация);

разработка приборов и аппаратов временного и постоянного

замещения физиологических функций и органов, реанимации и

реабилитации, включая имплантируемые микро- и наносистемы с

восстановительной и замещающей функцией;

разработка технологий для трансплантации и регенерации

жизненно важных органов, включая технологии, обеспечивающие

пролонгирование функции трансплантированных органов в

организме реципиента;

разработка аппаратно-технического обеспечения оперативных

вмешательств (стенты, искусственные клапаны сердца,

37

эндоскопические системы, электрокардиостимуляторы);

разработка средств реанимационной поддержки и систем

мониторинга функционального состояния организма;

разработка замкнутых систем жизнеобеспечения, технологии

регенерации среды обитания;

исследование устойчивости организма к алкогольной и

наркотической зависимости;

разработка методов и средств экспресс-диагностики иммунного

статуса;

разработка фармакологических средств, направленных на

активизацию иммунной системы человека, интенсификацию

церебрального кровообращения, улучшение памяти, повышение

работоспособности и обеспечение других условий, необходимых

для нормального функционирования организма;

создание и поддержание генетически модифицированных линий

лабораторных животных, в том числе нокаутных;

исследование по предотвращению распространения опасных для

человека зоонозных инфекций, включая расшифровку генома

возбудителя, и разработка вакцины и лекарства для человека и

животных;

разработка ветеринарных фармпрепаратов и вакцин;

разработка скафандров и специального снаряжения для работ в

окружении сред, враждебных человеческому организму;

технологии создания нейроинтерфейсов, в том числе на основе

анализа ЭЭГ головного мозга.

38

6. Синтетические биоинженерные приборы


Создание биологических систем по своему назначению

аналогичных кремниевой электронике, начиная от солнечных

батарей до логических управляющих схем, способных к работе и

воспроизводству в экстремальных условиях – на основе

созданных алгоритмов биологических процессов, позволяющие

создавать биологические системы непревзойденной сложности.


Синтетическая биология представляет собой новейшее

направление генной инженерии, которое объединяет передовые

области исследований с целью проектирования и построения новых, в

том числе, несуществующих в природе, биологических функций и систем.

При этом появится возможность узнать гораздо больше о сущности

самой жизни, если создавать её заново из атомов и молекул, а не

разбирая и анализируя отдельные подсистемы.

Одной из целей, которая при этом преследуется, является

стремление сделать генную инженерию строгой научной дисциплиной,

которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие

искусственно собранные конструкции, рекомбинируя и выявляя новые

закономерности и взаимосвязи.

Последние достижения в области синтетической биологии позволят

в скором времени стереть существующую границу между миром живых

организмов и машин, и перейти к программируемым функциональным

биосистемам.

Современная синтетическая биология представляет собой

инженерный инструментарий для проектирования функциональных и

управляемых живых систем с заданными свойствами – энергетического,

промышленного и производственного характера. Эта перспективная

технология способна создать генноинженерные бактерии, которые могут

производить сложнейшие и дефицитные лекарства дёшево и в

промышленных объёмах. Спроектированные геномы могут привести к

появлению альтернативных источников энергии (синтез биотоплива) или

39

к бактериям, которые помогут удалять излишний углекислый газ из

атмосферы. Таким образом, инженерная биология может

использоваться для проведения коренных преобразований в области

естественных наук и их применении в здравоохранении, энергетике и

многих других секторах, однако в этом контексте также возникает ряд

серьезных вопросов этического характера и проблем, связанных с

обеспечением биобезопасности.

Принципы молекулярной генетики и методы генетической

инженерии для создания функциональных биосистем и живых устройств,

по своему функционалу похожи на аналогичные технологии

проектирования электронных устройств. Благодаря стандартизации

технологических приемов разработчики микрочипов могли

сосредоточиться на конструировании и создании микроцепей, другие

специалисты собирали электронные компоненты, третьи — устройства и

так далее. В биоинженерии при создании сложных функциональных

конструкций можно выделить четыре основных уровня организации

производственной иерархии.

Например, в системе стандартов iGEM применяются

унифицированные биологические компоненты – биоблоки. Технологии

создания живой машины – это высокоуровневое проектирование,

компиляция, синтез, сборка конструкции, испытания и отладка (в

концепции TASBE компании Raytheon).

Живые организмы используют для синтеза своих ДНК ферменты.

Они способны присоединять до 500 нуклеотидов в секунду, исправляя по

ходу дела ошибки, вероятность которых равна примерно 10-9

. Клеточная

биосинтетическая машина превосходит самый лучший ДНК-синтезатор в

триллион раз. Последнему на присоединение каждого звена нужно

около 300 секунд. Более того, в in vivo репликации бактериального

генома одновременно участвуют несколько полимераз, суммарная

«производительность» которых составляет 5 миллионов нуклеотидов за

20 минут.

В MIT (США) сконструирован прототип многоклеточной системы,

которую можно использовать, например, для поиска взрывчатых

веществ. Об опасной находке клетки сообщают световым сигналом.

Подобное биологическое устройство позволяет запрограммировать

40

миллионы бактериальных клеток, снабдив их инструкциями по

взаимодействию друг с другом. Пожалуй, самое интересное в подобных

синтетических биологических системах то, что они аналогичны по своим

функциям первым электрическим цепям, собранным инженерами-

электронщиками для тестирования новых операций при создании

полупроводниковых чипов.

В 1980-1990 годах было обнаружено, что многие микроорганизмы обладают удивительными способностями к адаптации для выживания в различных экстремальных условиях – в чрезвычайно горячей или кислой среде, которая была бы совершенно непригодной для более высокоорганизованных видов. Экстремофилы — совокупное название для живых существ (в том числе бактерий и микроорганизмов), способных жить и размножаться в экстремальных условиях окружающей среды.

В целом биоинженерные системы и устройства можно разделить на

следующие категории:

I. Интегральные системы. Сочетание биоинженерных устройств,

которые выполняют заданные функции. Примером реализации

такой системы являются синтетические клетки микробиома

человека.

II. Биоинженерные устройства. Сочетание биологических деталей с

определенными функциями.

III. Детали. Клеточные компоненты – ферменты, органоиды,

органеллы – участники сложных метаболических цепочек.

41

IV. ДНК. Сегменты ДНК с заданной нуклеотидной

последовательностью для изготовления деталей. Их

синтезируют в специализированных лабораториях и доставляют

в готовом виде для сборки. Разработка методов быстрого

синтеза с низкой частотой ошибок позволила превратить эту

процедуру в рутинную.

Появление таких простых приборов, как осциллятор и

переключатель, возможность производить их в нужном количестве и с

большой точностью позволили конструировать на их основе сложные

электронные схемы. И раз уж специалисты научились делать столь же

надежные биологические аналоги основных электронных блоков, они

также смогут составлять из них более сложные конструкции, такие как

многоклеточные системы и даже устройства с небиологическими

функциями.


использование инструментария проектирования и сборки

регуляторных участков генома для создания функциональных

логических элементов, метаболических и сигнальных путей;

разработка технологий и методов количественного измерения

параметров единичной клетки;

стандартизация языка описания клетки, отдельных биологических

компонент и целых метаболических путей, возможно на основе

SBOL или другого стандарта;

разработка технологий быстрого и дешевого секвенирования

геномов;

создание технологий быстрого и дешевого синтеза

последовательностей нуклеиновых кислот ДНК и РНК;

исследование предельных возможностей и условий выживания

земных форм жизни в условиях космического полета: 1)

прокариоты; 2) растения; 3) микроорганизмы;

создание генно-модифицированных и синтетических организмов

микробиома человека для решения фармацевтических задач.

42

7.Биологическое производство материалов по

требованию


Производство средствами синтетической биологии

необходимых материалов – топлива, продуктов,

конструкционных материалов, из имеющейся органики и в

нужном количестве, а также разработка революционных

материалов на биологической основе, которые могут быть

использованы в химических и биологических сенсорах,

производстве биотоплива, нейтрализации загрязняющих агентов.


В экстремальных условиях отсутствия ресурсов, проблем с

транспортировкой, обеспечения скрытности проведения операций и

невозможности рассчитывать на стороннюю помощь, задача

обеспечения топливом и материалами должна решаться техникой

нового поколения. Перспективные технологии могут быть основаны на

созданных природой биологических агрегатах и схемах, которые

доказали свою отказоустойчивость и работоспособность в течение

тысячелетий.

Инженерным инструментарием создания новых космических

систем являются генная инженерия, клеточные технологии и

синтетическая биология. Необходимые системы, устройства, а также

материалы – проектируются «словно живыми» (life-like) и способны

нести с собой запрограммированные элементы функционирования,

восстановления и жизненного цикла. Клеточные системы, основанные на

достижениях синтетической биологии и инженерии, позволят создавать

life-like системы жизнеобеспечения и снабжения.

В настоящее время известно, какие живые существа (в том числе

бактерии и микроорганизмы) можно использовать в создании

биоблоков life-like систем экстремальных состояний и жизнеобеспечения.

Например, с целью создания защитных систем, способных к

функционированию в экстремальных условиях, могут быть использованы

43

клеточные культуры, синтезированные на основе генетической

информации организмов-экстремофилов.

Область интересов данной программы простирается на открытие

биомолекулярных материалов, обладающих уникальными

электрическими и механическими свойствами. Исследованы новые

методы биокатализа и создания биошаблонов у пептидов, вирусов,

нитчатых бактериофагов.

Исследованы оригинальные поверхности, которые обладают

настраиваемыми свойствами: текстурой, гигроскопичностью,

впитыванием, отражением/пропусканием света. В разработке находятся

гибридные органически-неорганические структуры с

программируемыми свойствами, которые лягут в основу создания

сенсоров с высокой производительностью, а также других устройств с

уникальными свойствами.

Значительное изменение в микроорганическом производстве

привнесло чистое, возобновляемое биодизельное топливо, которое

было получено благодаря новой технологии синтетической биологии

исследователями Министерства энергетики США и Joint Bio Energy

Institute (JBEI). Под новой технологией исследователи подразумевают

Dynamic sensor-regulator system (динамический датчик-регулятор

системы), которая позволяет обнаруживать метаболические изменения в

микроорганизмах при производстве жирных кислот и контролируют

экспрессию генов, влияющих на это производство. Результатом одного

из экспериментов стало трёхкратное увеличение производства

биодизеля из глюкозы.

В 2011 году актуальность представленного подхода была

подтверждена проектами в рамках анонсированных программ Hundred-

Year Starship («Столетний космический корабль») (DARPA и NASA) и Living

Foundries («Живые фабрики») (DARPA), а также в проекте MELiSSA (ESA).

44

Компания MadeinSpace, Inc. ставит перед собой задачу промышленного производства в космосе. Использование технологий аддитивного производства и современной быстрой 3D-печати позволяет предложить уникальные решения для применения в аэрокосмических задачах. В настоящее время использование широкого спектра материалов от твердых пластмасс до алюминия и титана позволяет оперативно создавать сопла ракетных двигателей и миниатюрные части космических аппаратов.

В NASA было отмечена перспективность использования

синтетических микроорганизмов для получения прочных

конструкционных материалов в условиях космоса. Изменение генома

почвенной бактерии Sporosarcina pasteurii, позволит существенно

увеличить выход кальцита в результате микробной индуцированной

химической реакции. Этот материал действует в роли связующего,

подобно портландцементу в бетонных конструкциях. Таким образом,

становится возможным получить надежный строительный материал по

своим физическим свойства близкому к песчанику. При этом можно

существенно уменьшить вес доставляемых с Земли материалов,

используя схожие с песком вещества с поверхности планет.

Необходимым условием для протекания индуцированной микробной

реакции является наличие источников кальция и мочевины.

45


совершенствование существующих технологий получения

биоконструкционных материалов и поиск новых

микроорганизмов обладающих необходимыми свойствами;

изучение возможности и отработка методов совместного

культивирования необходимых бактерий с фотосинтетическими и

азотофиксирующими организмами для обеспечения замкнутого

цикла получения биоконструкционных материалов;

изучение свойств и методов получения самоструктурирующихся

биоматриц и возможности создания суперкомпозитных

материалов с новыми свойствами на их основе.

исследование микроорганизмов, выращенных в условиях

микрогравитации для достижения жизнеспособности и

стабильности поведения генетически модифицированных

биологических объектов;

получение генетически модифицированных культур клеток

растений для создания технологий производства новых

лекарственных препаратов;

разработка клеточных технологий выращивания культур клеток

высших растений - продуцентов терапевтических веществ в

промышленных биореакторах;

разработка опытных образцов полузамкнутых систем

жизнеобеспечения на основе использования возможностей

генетически модифицированных организмов с улучшенными

способностями фильтрации, концентрации и переработки

необходимых веществ, при этом работоспособных в условиях

радиации и микрогравитации;

создание замкнутых систем поддержки жизнеобеспечения,

независимых от внешнего пополнения запасов продуктов

питания, с полностью биологически контролируемым

содержанием кислорода и углекислого газа;

создание автономной среды обитания за счет использования

высших организмов с улучшенной функциональностью за счет

перепрограммирования отдельных участков генома.

46

Часть 4. Эксперимент «Тесей»:

выявление молекулярных

маркеров устойчивости человека к

развитию патологий в условиях

космического полета

Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и

состояние вопроса.

С момента начала освоения космоса актуальной медико-

биологической проблемой стали физиологические аспекты

долговременного пребывания человека в условиях воздействия

факторов космического полета. Последствия воздействия факторов

космического полета в основном выражены в поломках ДНК (вызванных

радиацией), деминерализация костной ткани (механизмы которой до сих

пор окончательно не выявлены), поражения органов чувств, внутренних

органов и др.

Рис. 3. Тесей у Амфитриты в её дворце на дне моря

3.

3 Иллюстрация подвига из древнегреческого эпоса. По легенде Тесей отправился в водную пучину за золотым кольцом, которое критский царь Минос выбросил в море, и вернулся невредимым из морских глубин.

47

Известно, что под влиянием невесомости в космическом полете у

космонавта происходит перераспределение циркулирующего объема

крови в верхнюю половину туловища, что может создавать предпосылки

для развития функциональных изменений в различных системах

организма космонавта (А.И. Григорьев и соавт., 2001). Известно также,

что в течение длительных космических полетов происходит активизация

условно-патогенного компонента микрофлоры человека (Victorov A.N. et

al. 1991).

В то же время необходимо отметить, что вследствие генетических

различий люди по разному подвержены воздействию этих факторов.

Например, к настоящему времени выявлены генетические сети

механизмов репарации ДНК, активация которых зависит от молекулярно-

генетических особенностей конкретного человека. Таким образом, люди

с активированными механизмами репарации подвержены последствиям

радиационного облучения в гораздо меньшей степени. Можно

предположить, что различия в восприятии факторов космического

полета различаются в той же мере, что генетическая вариабельность

генов, метаболизирующих лекарственные препараты (фармакогеномика).

Восстановление организма после воздействий неблагоприятных

факторов (тепловой шок, гипоксия и др.) во многом связано с клеточной

стрессоустойчивостью. Предполагается, что наличие в геноме

определенных особенностей регуляции клеточной стрессоустойчивости

способно минимизировать последствия влияния на организм радиации

и невесомости.

Одной из основных задач проекта является оценка молекулярных

механизмов, обуславливающих индивидуальные различия человека на

воздействие ионизирующего излучения (ИИ). В настоящее время

воздействие радиации на орбите МКС составляет примерно 200 мЗв/год.

При межпланетных путешествиях уровень радиационного воздействия

составит 400 мЗв/год. При этом, допустимая доза на АЭС составляет 100

мЗв/год, но как правило не превышает 50 мЗв в год. В результате

действия ИИ в организме человека начинается синтез свободных

радикалов - АФК и АФА (окислительный стресс). Образовавшиеся АФК и

АФА вызывают множественные повреждения ДНК: модификацию

оснований, расщепление дезоксирибозы, возникновение апуриновых и

48

апиримидиновых сайтов, одиночные и двойные разрывы, сшивки ДНК-

белок и т.д.

В экспериментах с облучением клеточных линий показан ряд

эффектов, выявляемых на клеточном уровне: замедление прохождения

клетками клеточного цикла, образование хроматидных и хромосомных

аберраций, возникновение микроядер, действие свободных радикалов –

активных форм кислорода и азота – на клеточные структуры, но

основной молекулярной мишенью действия ионизирующих излучений

(ИИ) является молекула ДНК. При хроническом облучении в геноме

клетки индуцируются одно- и двунитевые разрывы, приводящие к

нарушению ее жизнедеятельности и гибели.

Процесс повреждения ДНК любых клеток, включая опухолевые, и

залечивания (репарации) этих повреждений находится под строгим

контролем генотипа человека и контролируется множеством

молекулярных механизмов, которые отражаются как в быстром

изменении уровня экспрессии ряда генов в условии возникшего стресса,

так и более медленных механизмах регулировке генной активности,

заключающейся в метилировании/деметилировании ДНК.

Сами по себе генетические (геномные) факторы, обуславливающие

индивидуальные различия на стрессовое воздействие не меняются в

ходе жизни и фактически представляют стационарный генетический

паспорт личности. Для оценки таких факторов достаточно единоразово

осуществить полногеномный генетический анализ кандидатов на

космический полет, по результатам которого можно сформировать

индивидуальные рекомендации, с учетом выявленных генетических

вариаций. Такие рекомендации могут касаться не только оценки

ожидаемой эффективности механизмов репарации ДНК, но и общих

медицинских рисков, которые могут быть более выражены в условиях


С другой стороны, молекулярные механизмы реализации таких

генетических факторов во многом изучены еще недостаточно. Крайне

важно знать не просто стационарное состояние генома, как такового, но

и динамические показатели активности кодируемых им генов в ответ на

развитие стрессовой ситуаций, обусловленных космическим полетом.

Поэтому необходимым условием является количественный анализ

49

уровня транскрипционной активности генов, а так же уровня

эпигенетических модификаций ДНК.

Транскриптомика. Современные молекулярные методы измерения

активности определенных генов и белков в соматических тканях

показали, что жизненный процесс является периодом динамических, но

воспроизводимых изменений. Уровень экспрессии одних генов

возрастает, тогда как других – снижается, часто демонстрируя довольно

сложные временные паттерны. Причем эти изменения не являются

стохастическим нарушением гомеостаза, поскольку стереотипно

воспроизводятся от организма к организму (Helfand, Inouye, 2002).

Выделяют два вида изменений экспрессии генов при стрессовом

воздействии: репарация (компенсационный ответ с позитивным

эффектом) и дерегуляция (с нейтральным или негативным эффектом)

(Tower, 1996). Изменение экспрессии может быть ответом на случайные

повреждения (молекулярные ошибки, оксидативный стресс) или

отражать побочные плейотропные эффекты адаптивных генов

(Blalocketal., 2003).

В рамках работы должны быть использованы методы выделения и

обогащения фракций кодирующей и некодирующей РНК из тканей и

жидкостей (в т.ч. из циркулирующей в крови РНК/ДНК); должны быть

протестированы и отобраны способы и методики применимые в

клинической практике с учетом особенностей рассматриваемого КЭ;

должно быть проведено секвенирование кодирующей и некодирующей

РНК в собранных образцах контрольной группы и группы КЭ; должен

быть проведен анализ геномного метилирования и показана связь

между метилированием и экспрессией генов и некодирующих участков.

Метилирование ДНК - это модификация молекулы ДНК без

изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК, что можно

рассматривать как часть эпигенетической составляющей генома. У

человека метилировано около 1 % геномной ДНК. В соматических

клетках взрослого организма метилирование ДНК обычно происходит в

CpG-динуклеотидах; метилирование ДНК вне CpG-динуклеотидов

встречается в эмбриональных стволовых клетках, включая опухолевые

Различные заболевания, например, рак, сопровождаются начальным

аномальным гипометилированием ДНК и последующим

50

гиперметилированием CpG-островков в промоторных областях генов,

что приводит к устойчивой репрессии транскрипции. Репрессия

транскрипции в этом случае опосредована белками, которые способны

связываться с метилированными CpG-динуклеотидами. Эти белки,

называемые метилцитозин-связывающими белками, привлекают

деацетилазу гистонов (HDAC) и другие факторы, участвующие в

ремоделировании хроматина. Сформировавшийся комплекс может

модифицировать гистоны, формируя конденсированную

транскрипционно не активную структуру гетерохроматина. Влияние

метилирования ДНК на структуру хроматина имеет большое значение

для развития и функционирования живого организма в целом и

опухолевой клетки, в частности.

Хотя роль эпигенетических механизмов в транскрипции хорошо

изучена, их участие в репарации ДНК только начинает исследоваться.

Можно предположить, что поскольку изменения в уровнях

метилирования приводит к привлечению метилцитозин-связывающих

белков, в свою очередь привлекающих деацетилазу гистонов (HDAC) и

другие факторы, участвующие в ремоделировании хроматина, тем

самым модифицируя гистоны, целесообразно оценить общий уровень

фосфорилирования гистонов и белка р53, вовлеченного в регуляцию как

транскрипции и пролиферации, так и апоптоза в образцах ДНК лиц,

подвергшихся действию ИИ. Эпигенетические изменения приводят к

модификации гистонов (формируя при этом конденсированную

транскрипционно неактивную структуру гетерохроматина); кроме того,

гистоны вовлечены в процессы репарации ДНК, происходящей в ответ на

действие повреждающих агентов, в том числе ИИ (фосфорилирование H3

происходит после активации сигнального пути в ответ на повреждение

ДНК; H2A.X также быстро фосфорилируется в ответ на действие ДНК-

повреждающего агента). Поэтому целесообразно оценить уровень

фосфорилирования гистонов, в частности гистона γH2АX – маркера

двунитевых разрывов ДНК.

Эволюционно консервативный вариант гистона H2A – H2AX

является одним из ключевых компонентов хроматина. Он быстро

фосфорилируется в хроматине, окружающем двунитевые разрывы (DSBs),

при этом усиливается активность репарационных факторов (MDC1, RNF8,

RNF168, 53BP1, BRCA1) и хроматин-ремоделирующих факторов (INO80,

51

SWR1, TIP60-p400). Совместно эти события регулируют DSB-репарацию,

позволяя избежать геномной нестабильности и онкогенетической

трансформции.

Микробиом человека. С современных позиций микрофлора

человека рассматривается как совокупность множества микробных

сообществ, занимающих многочисленные экологические ниши (биотопы)

на коже и слизистых оболочках всех открытых внешних полостей

макроорганизма. В основе заселения микроорганизмов в биотопах

лежит комплекс факторов, определяющих его физико-химические

свойства: рН среды, парциальное давление газов ткани, вязкость,

температура, специфическая метаболическая активность ткани, ее

функциональная нагрузка, а также наличие питательного субстрата.

Нормальная микрофлора кишечника оказывает ряд положительных

функций для организма, в частности: образует на поверхности слизистой

оболочки кишечника биопленки, которые являются своеобразным

барьером на пути проникновения патогенной и условно-патогенной

микрофлоры и ее токсинов в организм человека; обеспечивает

стабильный постоянный состав микрофлоры открытых полостей

организма за счет межмикробного антагонизма и активации иммунной

системы, участвует в реализации пищеварительной функции, активируя

пристеночное пищеварение в кишечнике, нормализует артериальное

давление.

В настоящее время особый интерес представляет

иммуномодулирующий эффект нормальной микрофлоры, который

реализуется за счет фагоцитарной активности макрофагов, моноцитов и

гранулоцитов, повышения уровня специфического IgA, индукции синтеза

интерферонов и цитокинов, стимуляции клеточных иммунных

механизмов защиты и др.

Кроме классических микробиологических и иммунологических

исследований, активную роль в исследовании микробиоты играют

технологии секвенирования 2 и 3 поколений, с учетом удешевления

самой стоимости секвенирования, появления большого количества

сервисных услуг по секвенированию и постоянному изменению

стратегий позволяющих оптимально исследовать генетическое

разнообразие выбор конкретного решения должен производиться для

52

каждого этапа исследования отдельно. Кроме того современные

технологии позволяют работать не только с разнообразием генов, но и

со всей палитрой РНК клеток заселяющих кишечник. Так же недавно

было объявлено о выпуске устройств позволяющих делать забор

исследуемого материала непосредственно в не опорожненном

кишечнике, что естественно сместит парадигму исследований от

изучения бактериального состава в фекалиях к изучению состава в

различных участках кишечника и эпителиальном слое. Все больше работ

нацелены на системное описание заболевания или группы пациентов, и

исследования микробиоты сопровождаются анализом метаболитов в

крови, генетическим анализов, и психологическими тестированиями.

Важно отметить, что в рамках предлагаемого проекта

количественные тесты по оценке транскрипционной активности генов и

анализу уровня метилирования, а так же по анализу бактериального

метагенома необходимо выполнять в различные временные точки: по

время предполетной подготовки, непосредственно во время полета и

сразу после приземления. В связи с чем, необходимо дополнительно

отработать технологию взятия и хранения биологического материала во

время выполнения полета.

Стрессоустойчивость. Эволюционно обусловленный уровень

стрессовой устойчивости человеческого организма является все более

заметным ограничением в целом ряде сфер хозяйственной деятельности.

Так, например, чрезвычайно ограничены возможности нормальной

человеческой деятельности в условиях холода, жары, загрязнения

окружающей среды, “грязных” производств, в ходе чрезвычайных

ситуаций (катастрофы различного характера, применение ОМП),

экстремального психологического стресса, существенно снижены

возможности освоения человеком космоса из-за ионизирующего

излучения. Неспособность справляться с теми или иными стрессами,

вызванными различными заболеваниями и состояниями ограничивает

возможности современной медицины для применения радиотерапии и

химиотерапии в лечении различных заболеваний, криоконсервации

тканей и органов. Существующий уровень стрессовой устойчивости

человека накладывает ограничения на продолжительность здоровой

жизни человека.

53

В то же время, накопившиеся к настоящему времени научные

знания и уровень развития системной биологии и биотехнологий

позволяют сформулировать и решить задачу по значительному

повышению стрессоустойчивости по отношению сразу ко всем или

большинству видов стресса и соответственно - существенному

расширению возможностей человека и всей человеческой цивилизации

в перечисленных выше сферах.

Стрессоустойчивость в животном мире связана с повышением

выносливости и выживаемости организма, в том числе в экстремальных

ситуациях, и с увеличением продолжительности жизни в целом, что

создает научную основу для разработки фармакологических или

генотерапевтических препаратов повышения стрессоустойчивости.

Установлено, что эволюционно близкие виды различаются по

продолжительности жизни благодаря отбору на стрессоустойчивость.

Например, летучие мыши (Tadaridabrasiliensis и Myotisvelifer)

характеризуются значительно более низким уровнем окислительного

повреждения белков по сравнению с мышью (Salmonetal., 2009). Голый

землекоп более стрессоустойчивый чем мышь (Lewisetal., 2012). Гены,

снижающие продолжительность жизни, способствуют эндогенному

стрессу (p66 и др.) (Migliaccioetal., 1999). Долгожители не отличаются

здоровым образом жизни (Rajpathaketal., 2011).

Таким образом, можно предположить, что наличие определенных

генных мутаций и транскриптомных биомаркеров способно радикально

повысить устойчивость человека к воздействию негативных факторов

внешней среды, и в частности повысить устойчивость организма

человека к развитию патологий во время длительных космических

миссий.

54

Таблица 1 Ткани долгоживущего голого землекопа демонстрируют

значительно большую стрессоустойчивость по сравнению с тканями мыши.

Есть научно-обоснованные основания полагать, что результаты

проекта могут стать основой для разработки интервенций, направленных

на повышения стрессоустойчивости человека. Например, известно, что:

1) транскрипционный фактор FOXO3a, регулирующий экспрессию

генов стрессоустойчивости (GADD45, Sod, cat и др.) имеет выраженные

аллельные отличия у супердолгожителей и ассоциирован с долголетием

у человека (Willcoxetal., 2008)

2) вещества, увеличивающие продолжительность жизни и

стрессоустойчивость модельных животных увеличивают

стрессоустойчивость человека и/или его тканей. Например, рапамицин

защищает от проявлений лучевой болезни (Finkel, 2012), метформин

(Muaddietal., 2013) и мелатонин (Karbowniketal., 2000) обеспечивают

некоторую защиту клеток от радиации.

Необходимость проведения КЭ в условиях космического

пространства в составе РС МКС.

Наиболее вероятный сценарий экспедиции на Марс видится

следующим образом. Согласно этому проекту, полет в обоих

направлениях займет около 1000 суток. Он включает движение по

пологой низкоэнергетической траектории в течение 200-300 суток, по

достижении поверхности Марса команда останется там на срок до 400-

55

500 суток без какой-либо возможности на спасение или дополнительное

снабжение до тех пор, пока не появится окно, предпочтительное для

обратного полета длительностью 200-300 суток. Данный сценарий

назван "TheMarsDirectPlan" Роберта Зубрина и был принят как рабочий

вариант разрабатываемого НАСА и Европейским авиакосмическим

агентством проекта марсианской миссии [Horneck G., Facius R., Reichert M.

etal. a study on the survivability and adaptation of humans to long duration

exploratory missions, (ESASP1274) / Eur.SpaceAgency. Noordwijk, 2003].

При межпланетных полетах возможность медицинской эвакуации в

принципе исключена, поэтому особую актуальность вопросы

обеспечения хирургической помощи приобретают в свете

предполагаемых планов экспедиций на Луну и Марс. Эти экспедиции

возможны только при создании условий для автономной, независимой

от поддержки с Земли, хирургической помощи больным и пострадавшим

космонавтам, когда спасение жизни и здоровья членов экипажа будет

полностью зависеть от оказания квалифицированной помощи со

стороны врача-космонавта. Вероятность возникновения у членов

экипажа космического корабля травм и острых заболеваний, требующих

оказания экстренной хирургической помощи, составляет 1 случай в 2,4

года [BillicaR.D., PoolS.L., NicogossianA.E.Crewhealthcareprograms / In:

NicogossianA.E., HuntoonC.L., PoolS.L., eds. Space Physiology and Medicine.

3rd

ed. Philadelphia, Pa: Lea &Febiger. 1994. P. 402-423; Houtchens B.A.

Medicalcare systems for long duration space missions // Clin Chem. 1993. Vol.

39(1). P. 1321.]. По мере увеличения продолжительности полета,

возрастания численности экипажа, усложнения характера выполняемых

им работ, вероятность возникновения травм и острых хирургических

заболеваний будет возрастать. В первую очередь это относится к

внекорабельной деятельности (ВКД), когда космонавт оказывается

наиболее уязвим для травм и повреждений [Строганов Л.Б., Горшков Л.А.

Пилотируемая экспедиция к Марсу: концепция и проблемы //

ActaAstronautica. 1991. Vol. 23. P. 279289; Гончаров И.Б., Ковачевич И.В.,

Жернавков А.Ф. Анализ заболеваемости в космическом полете //

Косм.биол. и мед. 2001. № 4. С. 145164.].

Основными моделями изучения и анализа заболеваемости

применительно к длительными межпланетным космическим полетам

являются следующие: анализ заболеваемости моряков, подводников и

56

полярников; обобщение данных наблюдений и обследований ряда

контингентов здоровых людей; анализ заболеваемости во время

длительных космических полетов и в различных модельных

исследованиях заболеваемости под влиянием факторов космического

полета, обобщенной общей структуры заболеваемости населения в

целом и отдельных его групп, работающих в автономных режимах или

находящихся в условиях, в какой-то мере приближенных к космическому

полету, позволил разработать и составить перечень вероятных

заболеваний и повреждений, которые могут развиться в длительном

космическом полете [Гончаров И.Б., Ковачевич И.В., Жернавков А.Ф.

Анализ заболеваемости в космическом полете // Косм.биол. и мед. 2001.

№ 4. С. 145164.].

В соответствии с целью и задачами КЭ может быть выполнен только

в условиях космического пространства в составе РС МКС, при активном

участии экипажа в его реализации.

В настоящее время не существует возможности моделирования

условий космического полета в наземных условиях.

Цели и задачи космического эксперимента

Цель эксперимента: выявление геномных, транскриптомных,

эпигеномных и микробиомных маркеров адаптации к факторам

космического полета для создания технологий предполетной

диагностики и разработки новых типов лекарственных средств.

Задачи, решаемые в процессе проведения КЭ:

Выявление геномных, эпигеномных и транскриптомных

маркеров устойчивости организма к факторам космического

полета к патологиям космического полета – деминерализации

костной ткани, мышечной атрофии, отеки зрительного нерва,

повреждениям хрусталика.

Выявление геномных, эпигеномных и транскриптомных

маркеров устойчивости к радиационному воздействию. При

этом при проведении наземной части экспериментов

ориентируются на значение годовой дозы радиации на орбите

МКС в 200 мЗв/год (или от 0.4 до 1 мЗв / сутки).

57

Выявление микробиомных маркеров и связанных с ними

изменений иммунной системы в условиях микрогравитации для

изолированных сообществ и ассоциированных изменений

организма.

Выявление генов-мишеней для создания генотерапевтических и

фармакологических лекарственных средств повышения

стрессоустойчивости.

Параметры выборки и объекты исследований

Категория Количество исследуемых Необходимые

исследуемые параметры

Космонавты (действующие)

не менее 25 человек в 2014-2020 гг.

Геном, эпигеном, транскриптом, микробиом.

Космонавты (в отставке) не менее 50 человек; Геном, транскриптом, выявление радиационных поломок.

Сотрудники производств, подвергающиеся влиянию опасных и вредных производственных факторов

не менее 100 человек (в том числе радиационное воздействие – не менее 50 человек, химическое (защитные механизмы которых обусловлены внутриклеточным ответом) – не менее 50 человек).

Геном, транскриптом, микробиом, выявление радиационных поломок (радиационные производства). Геном, транскриптом, эпигеном, микробиом (химические производства).

Изолированные группы для изучения влияния питания на микробиом и иммунный статус (соединения ВМФ, опытная группа на базе ЦПК им.Ю.А.Гагарина)

Не менее 100 человек. Геном, эпигеном, микробиом, иммунный статус.

Характеристики объектов исследования:

Клинические и молекулярно-генетические параметры

устойчивости организма человека к факторам космического

полета;

58


устойчивости организма человека к факторам среды;


устойчивости организма человека к развитию ассоциированных

с условиями космического полета патологий.

Используемые для анализа биологического материала методы и

технологии должны обладать следующими качественными и

количественными характеристиками:

Анализ кодирующих последовательностей генома человека: Используемая технология: высокопроизводительное параллельное секвенирование на базе секвенаторов второго поколения; Производительность: от 10 Гб пар нуклеотидов за один запуск секвенатора; Длина прочтения нуклеотидов: 170 пар; Масштабируемость платформы: наличие; Стартовое количество ДНК для анализа: не менее 50 нг; Размер анализируемых областей генома: не менее 57,5 млн. пар нуклеотидов; Среднее покрытие целевых областей экзома: не менее 70; Глубина покрытия: не менее 50 ридов на анализируемые участки.

Анализ бактериального метагенома: Используемая технология: высокопроизводительное параллельное секвенирование на базе секвенаторов второго поколения; Производительность: от 50 миллиардов пар нуклеотидов за один запуск; Длина прочтения нуклеотидов: 50 пар; Масштабируемость платформы: наличие; Производительность секвенирования на один образец: не менее 1,5 млрд. пар нуклеотидов, секвенатор второго поколения с заявленной производительностью не менее 50 миллиардов пар нуклеотидов для эффективного полногеномного анализа. Анализ транскриптома: 1. Используемая технология: высокопроизводительное параллельное РНК секвенирование на базе секвенаторов второго поколения; Производительность: от 10 Гб пар нуклеотидов за один запуск секвенатора; Длина прочтения нуклеотидов: 170 пар; Масштабируемость платформы: наличие; Стартовое количество РНК для анализа: не менее 50 нг; Глубина покрытия: не менее 50 ридов на анализируемые участки; Минимальное количество чтений при анализе транскриптома - не менее 20 000 000. 2.Используемая технология: РТ-ПЦР

59

Выполняемые операции: Подбор праймеров для полуколичественной оценки дифференциально экспрессирующихся генов методами ПЦР в реальном времени. Определение статуса метилирования промоторов дифференциально экспрессирующихся генов в лейкоцитах крови человека методом ПЦР в реальном времени в сочетании с бисульфитной обработкой ДНК. Анализ эпигенетических изменений: Используемая технология: Полногеномный анализ в формате высокоплотного ДНК чипа для анализа метилирования ДНК- Human Methylation 450 KBead Chip (Illumina, США с использованием автоматического сканера Iscan (Illumina, США) и автоматизированной системы подготовки высокоплотных чипов для генетического анализа - TecanFreedomEvo (Tecan, США); Количество CpGсайтов, анализируемых за один анализитечский цикл на 1 образец - 485 577; Количество генов, с анализируемыми CpGсайтами -21 231; Формат получаемых данных: количественный анализ степени метилирования; Воспроизводимость данных: - более 99%; Количество одновременно анализируемых образцов: -12; Количество ДНК для анализа: - 500 нг. Анализ метаболитов в биологических жидкостях. Технология исследования – спектроскопическое исследование жидких образцов методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопия) на импульсном ЯМР спектрометре; Рабочая частота измерения: 500,13 МГц Напряженность поля - до 11,74 T; Температурный диапазон измерений от 0°C до 80°C; Точность измерений ± 0.005 ppm (частей на миллион); Соотношение сигнал/шум на стандартном образце должно составлять 0.1% этилбензола ~ 2500; Спектрометр должен обеспечивать автоматизацию система смены образцов для серийных измерений в произвольном порядке; Требования к анализируемым образцам: - растворимость в подходящем растворителе - количество анализируемого образца: навеска от 2мг - тип анализируемого клинического образца: сыворотка крови, плазма крови, моча. Биоинформатический анализ Наличие вычислительного комплекса с установленным программным обеспечением, позволяющий производить биоинформатический анализ не менее чем 20 образцов в формате полногеномных ДНК-прочтений в сутки.

60

Основные операции, выполняемые экипажем

В течение одного полета каждый участник эксперимента проводит 3 (три)

операции по забору биообразцов и обследованию организма. Членами

экипажа выполняются следующие операции:

Тип забора биоматериала или

обследования

Объем исследования

Время операции

Целевые результаты и показатели

Забор венозной крови Не менее 50 мл 3 мин. Транскриптом, метаболом, эпигеном.

Забор капиллярной крови

Не менее 10 мл 3 мин. Транскриптом, метаболом, эпигеном.

Забор мочи Не менее 50 мл 3 мин. Транскриптом, метаболом.

Забор кала Не менее 50 гр 3 мин. Микробиом.

Забор слюны Не менее 10 мл 3 мин. Микробиом.

Забор слезной жидкости

Не менее 10 мл 3 мин. Протеом, транскриптом.

Физиологическое обследование

В течение 5 минут.

9 мин. Показатели здоровья.

Описание космического эксперимента

Порядок проведения КЭ: Российский экипаж переносит аппаратуру

«Амфора» на РС МКС, размещает её в служебном модуле на панели РС-

12, собирает биообразцы в специальный контейнер, проходит

обследование на комплексе оборудования и докладывает на Землю о

выполнении работ. В течение всего полета происходит регистрация

значений температуры температурным датчиком и радиационного фона

61

дозиметрическим датчиком, расположенным вблизи от аппаратуры.

Сбор биообразцов происходит трижды во время полета для каждого

космонавта. После окончания каждой серии экспериментов аппаратура

«Амфора» демонтируется с места экспонирования и переносится в

спускаемый аппарат для возвращения на Землю.

Забор материала коллективов, условия жизни или труда которых

можно соотнести с условиями космического полета - работников

вредных производств, изолированных групп, пациентов с

определенными типами патологий. Забор биоматериала космонавтов

осуществляется в течение 3-х лет в 2014-2017 гг.

В наземных условиях осуществляется секвенирование

биоматериала, исследование транскриптома, эпигенома, метаболома и

микробиома; интерпретация клинических данных; биоинформатический

анализ, выделение генных сетей и генов-мишеней.

Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с

аналогичными отечественными и зарубежными

исследованиями

В Российской Федерации и в мире разрабатывались и продолжают

разрабатываться фармакологические и иные средства, направленные на

расширение возможности выживания и обеспечения продуктивной

работы человека в экстремальных условиях. Однако именно научные и

технологические достижения последних лет впервые позволяют

систематически сформулировать и решить задачу по идентификации

генов, связанных с активацией систем организма, ответственных за

стрессовую устойчивость.

Для решения задачи разработки фармакологических интервенций,

направленных на значительное увеличение общей стрессоустойчивости

человеческого организма необходимо идентифицировать гены и

сигнальные пути, ответственные за регулирование стрессоустойчивости.

В настоящее время известны лишь некоторые из них.

В природе существует целый ряд животных, включая

млекопитающих, выносливость которых, способность переживать

стрессы и выживать в экстремальных условиях значительно превышает

62

возможности человека. Можно предполагать о существовании у

человека и экстремофильных животных единых консервативных

механизмов клеточной стрессоустойчивости.

Предлагается сформировать выборки людей, отличающихся по

реакции организма на характерный для космического полета стресс –

радиация, гипоксия, микрогравитация, изолированные коллективы.

Сравнительное исследование путем геномного и транскриптомного

анализа биообразцов человека даст возможность выявить гены и

сигнальные пути, модулирующие стрессоустойчивость. На основании

информации, полученной в ходе такого сравнительного исследования,

будет произведен анализ генетических механизмов стрессовой

устойчивости и предложены наиболее перспективные гены (или

комбинации генов) для проверки концепции возможности модуляции

стрессоустойчивости.

Дальнейший перенос результатов предложенного исследования

возможен для разработки препаратов, воздействующих на аналогичные

сигнальные пути в человеческом организме с целью максимизации

стрессоустойчивости человека.

63

Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование

Основные результатами космического эксперимента будут

следующие:

Выявление молекулярно-генетических маркеров (геномных,

транскриптомных, эпигеномных, метаболомных и

микробиомных) повышенной устойчивости к факторам


Выявление генов-мишеней для создания новых

генотерапевтических или фармакологических лекарственных

средств.

Создание диагностической платформы отбора кандидатов в

долговременные космические полеты.

Результаты предполагается использовать в следующих целях

Применение геномных и транскриптомных маркеров при

медицинском отборе и испытательной программе кандидатов в

долгосрочные космические миссии.

Применение геномных и транскриптомных маркеров для

создания генотерапевтических и фармакологических препаратов

повышения стрессоустойчивости к факторам космического

полета.

Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа,

связанных с КЭ

Забор биообразцов потребует регулярного извлечения

биоматериала, его упаковку и пробирки и размещение в контейнере

«Амфора».

64

100-YearStarship – Столетний звездолет

«Наша задача – вдохновить несколько поколений людей на

исследовательскую деятельность и прорывные инновации в

огромном диапазоне дисциплин – физике, математике, биологии,

экономике, психологии, в социальных, политических и гуманитарных

науках, а также в искусстве и образовании.

Эта инициатива будет иметь не только гигантский культурный и

научный результат, но и огромную экономическую выгоду для США –

благодаря привлечению талантливых людей со всего мира

заманчивой и эпохальной идеей достижения далеких звезд».

Руководитель программы DARPA

Поль Еременко

Программа Hundred Year Starship была анонсирована в октябре

2011 года. Руководство программой взяло на себя DARPA, а курировать

научную составляющую будет Исследовательский центр НАСА им. Эймса.

Идея проекта состоит в том, чтобы безвозвратно отправлять людей

для заселения планет. Первым кандидатом на колонизацию является

Марс. Если всё пойдёт по плану, первая партия добровольцев будет

отправлена в 2030 году, что обойдётся примерно в $1 млрд.

Помимо Марса, перспективным называется освоение экзопланет с

условиями, близкими к земным: по словам директора

Исследовательского центра Эймса, в долгосрочной перспективе следует

сосредоточить усилия, в частности, на проектировании микробиома

экипажа и геномов микросреды корабля, что гораздо менее

трудозатратно, чем пытаться превратить Марс в копию Земли,

пригодную для жизни.

65

Однако путешествие корабля к дальним планетам займёт не одно

десятилетие (что и отражено в названии проекта). Поэтому от

претендентов на реализацию проекта ожидают, прежде всего,

предложений по обеспечению выживаемости экипажа и поселенцев в

течение долгого времени. Описания технологических, биологических,

экономических, социальных и других аспектов задачи также

приветствуются.

Сайт проекта: www.100yss.org

http://www.100yss.org/

66

MELiSSA Project

Проект «MELiSSA: Micro-Ecological Life Support System Alternative»

задуман Европейским космическим агентством в марте 2011 года, как

экосистема, которая должна получить понимание поведения клеточных

культур, а также для развития технологий будущего жизнеобеспечения

регенеративной системы для долгосрочных пилотируемых космических

миссий.

Главный элемент «MELiSSA»- восстановления продовольствия, воды

и кислорода из отходов (фекалий, мочевина) и углекислого газа.

«MELiSSA» - состоит из 5 отсеков, которые колонизированы,

соответственно, термофильными бескислородными бактериями,

фотосинтезирующими бактериями, нитрифицирующими бактериями,

фотосинтезирующими бактериями, высшими растениями, и экипажем.

Отходы и загрязнение воздуха обрабатываются с помощью

естественной функции растений, которые в свою очередь, обеспечивают

пищей, а также способствуют очистке воды и кислорода.

Приложение 1. Перечень базовых космических экспериментов по направлениям «Человек в космосе» и «Космическая биология и биотехнология» в Долгосрочной программе космических экспериментов, результаты которых могут быть использованы при разработке программы, по состоянию на 2012 год.

№ Шифр Постановщик Задача Результаты

1 Альгометрия ИМБП РАН Исследование болевой чувствительности у человека в условиях космического полета.

Количественная оценка изменения болевой чувствительности с целью оптимизации выбора обезболивающих препаратов при проведении медикаментозной терапии в условиях космического полета и ближайшем послеполетном периоде.

2 Иммуно ИМБП РАН Исследование нейроэндокринных и иммунных ответов у человека во время и после космического полета на МКС.

Новые данные о развитие психического стресса, нейроэндокринной регуляции, изменениях в иммунной системе, состоянии неспецифического и специфического иммунитета, микроциркуляции, изменениям перфузии тканей и энергетического метаболизма в длительном космическом полете.

3 Матрешка -Р ИМБП РАН Исследование динамики радиационной обстановки на трассе полета и в отсеках РС МКС и накопления дозы в антропоморфном фантоме, размещенном внутри и снаружи станции.

Оценка эффективности радиационной безопасности.

4 Плазмида ИМБП РАН Перенос плазмидной ДНК при Получение новых данных о влиянии

68

конъюгации в условиях космического полета.

гравитации на процесс конъюгации.

5 Хроматомасс-спектр М

ИМБП РАН Оценка микробиологического статуса человека методом хроматомасс-спектрометрии.

Оценка воздействия факторов космического полета на количественный состав широкого круга микроорганизмов - представителей комменсальной и условно-патогенной микрофлоры человека.

6 Аквариум ИМБП РАН Исследование устойчивости состояния модельной замкнутой экологической системы и звеньев, в нее входящих, в условиях микрогравитации.

Создание системы жизнеобеспечения космических экипажей на основе биологического круговорота веществ

7 Био-деградация

Биологический факультет МГУ

Начальные этапы биодеградации и биоповреждения в условиях космоса.

Способы защиты конструкционных материалов КА от биоповреждений и биокоррозии.

8 Биориск ИМБП РАН Исследование влияния факторов космического пространства на состояние систем «микроорганизмы- субстраты» применительно к проблеме экологической безопасности космической техники и планетарного карантина.

Данные для повышения экологической безопасности и надежности космической техники

9 Биотрек ОАО «Биохиммаш»

Исследование влияния потоков тяжелых заряженных частиц космического излучения на генетические свойства клеток - продуцентов БАВ.

Новые высокоэффективные штаммы продуцентов БАВ, используемых в народном хозяйстве.

10 Конъюгация ОАО «Биопрепарат»

Отработка процесса передачи генетического материала методом конъюгации бактерий.

Новые рекомбинантные штаммы продуцентов БАВ.

69

11 Крио-консервация

ОАО «Биохиммаш»

Криогенная консервация биологических препаратов.

Повышение надежности сохранения исследуемых биоматериалов.

12 МСК НИИТ и ИО МЗ РФ

Культивирование мезенхимальных стволовых клеток (МСК) из костного мозга (КМ) в условиях космического полета.

Исследование способности МСК из КМ к реализации присущих им функций при различных условиях культивирования во время космического полета.

13 Мутация ИМБП РАН Влияние факторов космического полета на мутационный процесс, генетический обмен и регуляцию антибиотикообразования у микроорганизмов.

Суперпродуценты антибиотиков, получение коллекции мутантов микроорганизмов, новые рекомбинантные штаммы, данные для биоиндикации околоземного пространства.

14 Полиген ИМБП РАН Выявление генотипических особенностей, определяющих индивидуальные различия в устойчивости биологических объектов к факторам длительного космического полета (исследования па плодовой мушке Drosophila melanogaster и вешенке устричной Pleurotus ostreatus).

Разработка генетических критериев идентификации биологических объектов, обладающих максимальной устойчивостью к условиям длительного космического полёта.

15 Регенерация-1 ИМБП РАН Исследование влияния различных факторов космического полета на процессы регенерации у биообъектов по морфологическим и электрофизиологическим показателям.

Сведения о регенерации поврежденных частей тела у животных организмов в условиях орбитального полета.

70

Приложение 2. Перспективные задачи медико-биологического обеспечения долговременных космических полетов.

Направление Актуальные задачи Примеры некоторых нерешенных биомедицинских и биотехнологических задач для обеспечения длительных космических миссий

Регенеративная медицина

Восстановление поврежденных или утраченных органов и тканей во время долгосрочных миссий.

1. Создание 3D-биопринтера для печати внеклеточных матриксов, обработки факторами роста и другими ферментами и нанесения клеточных конгломератов в условиях микрогравитации, в том числе на основе технологий безматриксного формования в условиях микрогравитации (терапия ожогов, стоматология) 2. Создание технологий ускоренной регенерации повреждений или воссоздания (аналогов) жизненно-важных органов. 3. Создание клеточной терапии нейротравм спинного мозга и периферической нервной системы.

Омиксная диагностика

Превентивный подбор кандидатов в космические миссии, здоровье которых можно спрогнозировать и подобрать оптимальные условия питания, жизнедеятельности и фармакотерапию.

1. Интерпретация геномных, протеомных, метаболомных, транскриптомных, эпигеномных и микробиомных данных для подбора кандидатов в долгосрочные космические миссии после 2020 года. 2. Создание диагностической платформы омиксных параметров разового анализа, регулярного мониторинга и мониторинга в режиме реального времени. 3. Создание программного обеспечения для клинической интерпретации омиксных данных на основе систем искусственного интеллекта (тип Watson).

Стрессо-устойчивость

Обеспечение полноценной жизни человека в условиях высокой радиации и состоянии

1. Создание образцов стрессоустойчивых трансгенных мышей, проведение их испытаний на КА серии «БИОН» или в наземном эксперименте. 2. Создание генотерапевтических препаратов для активации генов,

71

невесомости. отвечающих за стресс-ответ (радиация, снижающих риски радиационного воздействия, деминерализации костной ткани и мышечной атрофии, отека зрительного нерва, повреждений хрусталика и внутренних органов, гипоксия, тепловой шок и др.).

Криоконсервация и проблемы анабиоза

Длительное сохранение поврежденных органов и целых организмов теплокровных животных.

1. Создание технологий длительного (до 3 месяцев) криосохранения донорской почки человека и последующего восстановления для трансплантации. 2. Применение состояния «анабиоза» для задач обеспечения длительной посттравматической эвакуации и продления «золотого часа». 3. Сверхдлительное гипотермическое хранение поврежденных органов и тканей человека.

Синтетическая биология

Создание замкнутых систем жизнеобеспечения и подбор оптимального состава микробиоты кишечника человека.

1. Создание синтетических штаммов микробиоты человека и животных для борьбы с кишечными инфекциями. 2. Исследования связей функциональной микробиоты с иммунной системой животного или человека (иммуном

4), и их модуляция в условиях

космического полета. 3. Создание системы проектирования генноинженерных штаммов промышленных микроорганизмов различного назначения. 4. Инженерия функциональных симбиотические биосистем «бактерии-растение», «бактерии-животное», влияние внешнего микроокружения на состояние симбиотических систем, и других элементов суперсистемы «Живого корабля».

4 Иммуном – набор всех последовательностей иммунных рецепторов, которые встречаются у отдельно взятого человека; он включает в себя последовательности рецепторов Т-киллеров, распознающих инфицированные клетки, и последовательности антител, которые производят Б-клетки.

72

Приложение 3. Организационная структура постановки и выполнения перспективных космических экспериментов.

№ Организация Долгосрочная задача

1 ЦНИИ машиностроения Общее научно-техническое сопровождение программы. Поддержание реестра стандартов на новое оборудование и правила проведения экспериментов.

2 РКК Энергия Разработка пилотируемых модулей, медико-биологического оборудования, систем подержания жизни, ресурсо- и энерго-обеспечения.

3 ГНЦ Институт медико-биологических проблем РАН

Медико-биологическое обеспечения долгосрочных космических полетов. Проведение программ испытаний препаратов и методов поддержания жизни. Испытания инвазивного медицинского оборудования.

4 Институт космической медицины ФМБА России

Космическое долголетие в наземных экспериментах. Испытания методов повышения стрессоустойчивости на группах с пациентами онкологических и возраст-зависимых заболеваний.

5 Центр подготовки космонавтов им. Ю.А.Гагарина

Разработка и проведение программ испытаний экипажа и апробации оборудования пилотируемых КА. Экспериментальные исследования модулирования иммунного статуса изолированных сообществ.

73

6 ОАО «Биопрепарат» Разработка и унификация живых систем КА, включая системы жизнеобеспечения, энергообеспечения, рекультивации, и т.д. Ведение реестра стандартных участков ДНК (биоблоков) взаимодействующих живых систем.

7 Биологический факультет МГУ Биологическая инженерия симбиотических организмов жизнеобеспечения – бактериальных организмов и высших растений.

8 Первый МГМУ Медицинское обеспечение автономных хирургических операций и других инвазивных вмешательств в условиях космического полета. Апробация систем и приборов реанимационной робототехники.

9 ФМБЦ им.Бурназяна Решение проблем криоконсервации и восстановления замороженных органов и тканей. Оперативная трансплантация (ампутация) в условиях изолированного КА.

10 НИИ промышленных микроорганизмов

Разработка генноинженерных штаммов различного функционального назначения. Реализация в клетках произвольной функции экспрессии и экскреции F(x, t, T, M, …).

11 Институт теоретической и экспериментальной биологии РАН (г.Пущино)

Решение проблемы длительного анабиоза человека и животных. Исследование пределов жизнестойкости живых организмов (бактерии, археи, дрожжи). Создание генноинженерных линий полиэкстремофильных организмов.

12 ГНЦ «Вектор» (г.Новосибирск) Производство генноинженерных и фармацевтических биопрепаратов обеспечения членов экипажа и симбиотических систем КА.

Приложение 4. Научная кооперация.

Предлагаемый к решению в рамках Программы объем задач,

касающийся биомедицины, биотехнологии, поисковых и прикладных

научных исследований может быть реализован либо за счет щедрого

финансирования, либо за счет построения широкой кооперации

исполнителей, отчасти ведущих самостоятельные работы по указанным

направлениям.

Это связано с тем, что интересующие программу поисковые

научные направления находятся в основном на острие познания, а

прикладные работы имеют в большинстве своем промышленное или

медицинское значение.

Таблица 2. Взаимосвязь между необходимыми разработками для космических

технологий и научно-исследовательскими работами в интересах

здравоохранения, сельского хозяйства и развития научных исследований.

Направления космической технологии Направления гражданской науки

Средства защиты от последствий радиационного поражения

Проблемы старения, обусловленные накоплением ошибок регуляции; клеточная стрессоустойчивость.

Генотипирование для предиктивного выявления особенностей здоровья

Определение рисков развития патологий в течение жизни пациента.

Лекарственная терапия в отсутствие возможности синтеза сложных соединений

Клик-химия; генно-терапевтические препараты.

Восстановление поврежденного органа Биоинженерия органов и тканей; клеточная терапия;

Анабиоз Искусственная кома; продление «золотого часа»;

Защитные меры против деминерализации костной ткани

Терапия остеопороза;

Защитные меры против отека зрительного нерва и повреждений хрусталика

Терапия катаракты и иных глазных болезней;

Защитные меры против мышечной атрофии

Терапия мышечных дистрофий, ишемий.

Системы жизнеобеспечения и утилизации отходов

Промышленная биотехнология; ГМО; новые типы удобрений; симбиотические организмы.

«Живые» солнечные батареи, Исследования экстремофильных

75

биоконструкционные материалы и др. организмов; Генная инженерия; Промышленная биотехнология.

Опыт NASA подсказывает, что качественно новое развитие

космической науки потребует вовлечения лабораторий и

исследователей, ранее не имевших опыта непосредственной работы по

космическим программам. В этой парадигме космические центры и

лаборатории сохраняют за собой статус носителей уникального опыта,

стандартов и процедур, одновременно перенимая лучшие практики

методической и инструментальной работы.

Среди таких «нетрадиционных» для космической отрасли научных

групп можно выделить:

ИНМИ РАН (д.б.н. Е.А. Бонч-Осмоловская – полиэкстремофильные

организмы для культивации в экстремальных условиях);

ФМБЦ им. Бурназяна ФМБА России (к.м.н. И.И. Еремин –

расширение клинической базы за счет работников атомных

объектов, АПЛ, радиохимических производств; клеточная терапия

как альтернатива инвазивным хирургическим операциям по ряду

показаний);

НИИ ФХМ ФМБА России (д.б.н. В.М. Говорун – микрофлюидные

устройства для иммуно-диагностики биомаркеров в цельной

крови);

и многие другие коллективы в научных и медицинских учреждениях

ФМБА, РАН, РАМН и университетах, финансируемые по программам

ФЦП, ВЦП и РНФ.

Вовлечение в программу клинических учреждений важно по

следующей причине. Одной из важных составляющих программы

является выявление оценка молекулярных механизмов,

обуславливающих минимальные последствия для здоровья человека

ионизирующего излучения (ИИ). В настоящее время воздействие

радиации на орбите МКС составляет примерно 200 мЗв/год. При

межпланетных путешествиях уровень радиационного воздействия

составит 400 мЗв/год. При этом, допустимая доза на АЭС составляет 100

мЗв/год, но как правило не превышает 50 мЗв в год. Подобные «уловки»

позволяют существенно увеличить выборку по отдельным аспектам

превентивных и защитных мер.

76

При межпланетных полетах возможность медицинской эвакуации в

принципе исключена, поэтому особую актуальность вопросы

обеспечения хирургической помощи приобретают в свете

предполагаемых планов экспедиций на Луну и Марс. Эти экспедиции

возможны только при создании условий для автономной, независимой

от поддержки с Земли, хирургической помощи больным и пострадавшим

космонавтам, когда спасение жизни и здоровья членов экипажа будет

полностью зависеть от оказания квалифицированной помощи со

стороны врача-космонавта. Вероятность возникновения у членов

экипажа космического корабля травм и острых заболеваний, требующих

оказания экстренной хирургической помощи, составляет 1 случай в 2,4

года. По мере увеличения продолжительности полета, возрастания

численности экипажа, усложнения характера выполняемых им работ,

вероятность возникновения травм и острых хирургических заболеваний

будет возрастать. В первую очередь это относится к внекорабельной

деятельности (ВКД), когда космонавт оказывается наиболее уязвим для

травм и повреждений.

На сегодняшний день основными моделями изучения и анализа

заболеваемости применительно к длительными межпланетным

космическим полетам являются следующие: анализ заболеваемости

моряков, подводников и полярников; обобщение данных наблюдений и

обследований ряда контингентов здоровых людей; анализ

заболеваемости во время длительных космических полетов и в

различных модельных исследованиях заболеваемости под влиянием

факторов космического полета, обобщенной общей структуры

заболеваемости населения в целом и отдельных его групп, работающих

в автономных режимах или находящихся в условиях, в какой-то мере

приближенных к космическому полету, позволил разработать и

составить перечень вероятных заболеваний и повреждений, которые

могут развиться в длительном космическом полете

Предполагается, что наличие в геноме определенных особенностей

регуляции клеточной стрессоустойчивости способно минимизировать

последствия влияния на организм радиации и невесомости.

Накопившиеся к настоящему времени научные знания и уровень

развития системной биологии и биотехнологий позволяют

сформулировать и решить задачу по значительному повышению

77

стрессоустойчивости по отношению сразу ко всем или большинству

видов стресса и соответственно – существенному расширению

возможностей человека и всей человеческой цивилизации в

перечисленных выше сферах.

Приложение 5. Риски и критические технологии пилотируемой космонавтики (по мнению специалистов NASA).

Риски (К = Контролируемый, П = Приемлемый, Н = Неприемлемый, О – отсутствие данных)

№ Шифр

элемента Наименование риска

Значение для экспедиций

Лунная миссия

(180 дней)

Ближний космос (1 год)

Марс

1 HHC5

Риск ортостатической неустойчивости при возвращении силы тяжести (шифр OI)

К П П

2 HHC Риск раннего остеопороза в связи с перенесением условий комического полета (шифр Osteo)

К П П

3 HHC Факторы риска в результате несоответствующего питания (шифр Nutrition) К П Н

4 HHC Риск аномальной работы в условиях открытого космоса и угрозы здоровью из-за нарушений работы систем автономного скафандра (шифр EVA)

П П П

5 HHC Риск нарушений работоспособности из-за уменьшения мышечной массы, силы и выносливости (шифр Muscle)

П П Н

6 HHC Риски камнеобразования в почках (шифр Renal) К К К

7 HHC Риск переломов кости (шифр Fracture) К К К

8 HHC Риск повреждения межпозвоночного диска (шифр IVD) К О О

9 HHC Риск нарушений сердечного ритма (шифр Arrhythmia) К О О

10 HHC Риск уменьшения способностей выполнения физической работы из-за снижения аэробной способности (шифр Aerobic)

П П Н

11 HHC Риск возникновения неблагоприятных состояний здоровья экипажа в К К О

5 HHC (Human Health Countermeasures) – Защитные меры обеспечения здоровья человека.

79

результате изменений иммунных реакций (шифр Immune)

12 HHC Риск нарушения контроля за системами управления космического аппарата и выхода за его пределы вследствие вестибулярных или сенсомоторных нарушений связанных с условиями космического полета (шифр Sensorimotor)

О О О

13 HHC Риск неблагоприятного исхода лечения вследствие неэффективности выбранных лекарственных средств (шифр Pharm)

Н Н О

14 HHC Риск вызванных условиями микрогравитации зрительных нарушений или изменений внутричерепного давления (шифр VIIP)

К К Н

15 HHC Риск травмоопасности от динамических нагрузок (шифр Occupant Protection) Н Н О

16 SHFH6

Риск ухудшения качества работы и заболеваний экипажа вследствие нарушений работы системы обеспечения экипажа питанием (шифр Food)

К К Н

17 SHFH Риск нарушения человеко-машинного взаимодействия (шифр HCI) К К П

18 SHFH Риск совершения ошибок членами экипажа вследствие недостаточной подготовки (шифр Train)

К К П

19 SHFH Риск недостаточно спланированной схемы взаимодействия человека и автоматизированных систем или робототехнических устройств (шифр HARI)

К К П

20 SHFH Риск недостаточной проработанных механизмов выполнения критических задач (шифр Task)

К К П

21 SHFH Риск неблагоприятного воздействия на здоровье контакта с пылью и летучими соединениями во время исследований небесных тел (шифр Dust)

П О О

22 SHFH Риск критических ошибок в проектировании космического аппарата или систем жизнеобеспечения (шифр Hab)

К К A

23 SHFH Риск неблагоприятного воздействия на здоровье вследствие перестройки взаимодействий между микроорганизмами и организмом хозяина (шифр

П О О

6 SHFH (Space Human Factors and Habitability) - Человеческий фактор и приспособленность для длительного пребывания людей в условиях космического полета.

80

Microhost)

24 ExMC7

Невозможность вовремя обнаружить или обработать болезнь или ранение пострадавшего члена экипажа (шифр ExMC)

П П Н

25 BHP8

Риск появления враждебных поведенческих состояний и нарушений психики (шифр Bmed)

К П Н

26 BHP Риск поведенческих ошибок, обусловленный утомлением вследствие нарушений сна, десинхронизации суточного цикла, продолжительной бессонницы и работы с перегрузкой (шифр Sleep)

К К К

27 BHP Риск снижения работоспособности вследствие неадекватных совместных действий, координации работы, информационного взаимодействия и психосоциальной адаптации с командой (шифр Team)

К П П

28 BHP Риск радиационного канцерогенеза (шифр Cancer) П Н Н

29 BHP Риск острой лучевой болезни вследствие всплеска космических солнечных лучей (шифр ARS)

П П П

30 BHP Риск острых или продленных влияний на центральную нервную систему из-за радиационного облучения (шифр CNS)

П О О

31 BHP Риск дегенерации тканей или другие воздействия на здоровье людей из-за радиационного облучения (шифр Degen)

П О О

7 ExMC (Exploration Medical Capability) - Медицинские возможности обеспечения исследовательских миссий. 8 BHP (Behavioral Health and Performance) - Охрана психического здоровья и работоспособности.

Список литературы

Газенко О. Г., Кальвин М. Основы космической биологии и медицины:

Космическая медицина и биотехнология. – Наука, 1975. – Т. 3.

Баевский Р. М. Проблема оценки и прогнозирования функционального

состояния организма и ее развитие в космической медицине

//Успехи физиологических наук. – 2006. – Т. 37. – №. 3. – С. 42-57.

Гончаров И.Б., Ковачевич И.В., Жернавков А.Ф. Анализ заболеваемости в

космическом полете // Косм.биол. и мед. 2001. № 4. С. 145164.

Григорьев А. И., Баевский Р. М. Концепция здоровья и космическая

медицина. – Слово, 2007.

Григорьев А.И., Орлов О.И., Логинов В.А., Дроздов Д.В., Исаев А.В.,

Ревякин Ю.Г. Суханов А.А. «Клиническая телемедицина». Слово,

2001, стр.3-4.

Строганов Л.Б., Горшков Л.А. Пилотируемая экспедиция к Марсу:

концепция и проблемы // ActaAstronautica. 1991. Vol. 23. P. 279289;

Турчин, А. В., & Батин, М. А. (2013). Футурология. XXI век: бессмертие или

глобальная катастрофа? Бином. Лаборатория знаний. 263с.

Anisimov V. N. et al. The second international conference" genetics of aging

and longevity" //Aging. – 2012. – Т. 4. – №. 5. – С. 305-317.

BillicaR.D., PoolS.L., NicogossianA.E. Crewhealthcareprograms / In:

NicogossianA.E., HuntoonC.L., PoolS.L., eds. Space Physiology and

Medicine. 3rd ed. Philadelphia, Pa: Lea &Febiger. 1994. P. 402-423;

Clément G. Fundamentals of space medicine. – Springer, 2011. – Т. 23.

Friedman L., Garber D., Heinsheimer T. Evolutionary Lightsailing Missions for

the 100-Year Starship //Journal of the British Interplanetary Society. –

2013. – Т. 66. – С. 252-259.

Horneck G., Klaus D. M., Mancinelli R. L. Space microbiology //Microbiology

and Molecular Biology Reviews. – 2010. – Т. 74. – №. 1. – С. 121-156.

Houtchens B.A. Medicalcare systems for long duration space missions // Clin

Chem. 1993. Vol. 39 (1). P. 1321.

Kelly J. R. et al. Measuring the activity of BioBrick promoters using an in vivo

reference standard //Journal of biological engineering. – 2009. – Т. 3.

– №. 1. – С. 4.

Limoli C.L., Kaplan M.I., Corcoran J. et al. Chromosomal instability and its

relationship to other end points of genomic instability // Cancer Res.,

1997. Vol. 57, № 24. P. 5557-5563.;

82

Little J.B. Induction of genetic instability by ionizing radiation // C. R. Acad.

Sci., Ser. III. Sci. Vie/Life Sci., 1999. Vol. 322, № 2-3. P. 127-134.;

Marder B.A., Morgan W.F. Delayed chromosomal instability induced by DNA

damage // Mol. Cell. Biol., 1993.Vol. 13, № 11. P. 6667-6677.;

Morgan W.F., Sowa M.B. Effects of ionizing radiation in nonirradiated cells //

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2005. Vol. 102, № 40. P. 14127-14128.;

Mothersill C., Seymour C.B. Radiation-induced bystander effects--implications

for cancer // Nat. Rev. Cancer, 2004. Vol. 4, № 2. P. 158-164.;

Mukaida N., Kodama S., Suzuki K. et al. Transmission of genomic instability

from a single irradiated human chromosome to the progeny of

unirradiated cells // Radiat. Res., 2007.Vol. 167, № 6. P. 675-681.;

Murnane J.P. Role of induced genetic instability in the mutagenic effects of

chemicals and radiation // Mutat. Res., 1996.Vol. 367, № 1. P. 11-23.;

Ojima M., Hamano H., Suzuki M. et al. Delayed induction of telomere

instability in normal human fibroblast cells by ionizing radiation // J.

Radiat. Res. (Tokyo), 2004. Vol. 45, № 1. P. 105-110.;

Paul A. L. et al. Fundamental plant biology enabled by The Space Shuttle

//American journal of botany. – 2013. – Т. 100. – №. 1. – С. 226-234.

Race M. S. et al. Synthetic biology in space: considering the broad societal

and ethical implications //International Journal of Astrobiology. – 2012.

– Т. 11. – №. 02. – С. 133-139.

Rothschild L. J. What Synthetic Biology Can Do for Astrobiology //LPI

Contributions. – 2010. – Т. 1538. – С. 5565.

Schulze-Makuch D. The 100-Year Starship Symposium—A Historic Meeting?

//Astrobiology. – 2012. – Т. 12. – №. 1. – С. 1-2.

Smith C. M. Starship Humanity //Scientific American. – 2012. – Т. 308. – №. 1.

– С. 38-43.

Ushakov I. B. The 50th Anniversary of the Institute of Biomedical Problems of

the Russian Academy of Sciences //Human Physiology. – 2013. – Т. 39.

– №. 5. – С. 455-461.

83

Коллектив авторов

Московский физико–технический институт

(государственный университет) (МФТИ) осуществляет

подготовку специалистов высшей квалификации в

различных областях современной науки и техники.

Приоритетные направления МФТИ включают:

«Прикладные математика и физика», «Системный анализ и

управление», «Информатика и вычислительная техника», «Живые

системы» и другие. Основателями института являются лауреаты

Нобелевской премии П.Л.Капица, Н.Н.Семенов, Л.Д.Ландау. С

самого момента своего основания в 1951 году в МФТИ

используется оригинальная система подготовки научных

работников, получившая широкую известность как «система

Физтеха». В октябре 2009 года МФТИ по результатам конкурса был

удостоен статуса Национального исследовательского

университета.

Илья Клабуков. В 2009-2010 гг. – заместитель декана факультета

радиотехники и кибернетики МФТИ, зам. начальника группы

вооружений, военной и специальной техники МФТИ. В 2010-2013

гг. – старший научный сотрудник лаборатории

суперкомпьютерных технологий Iscalare МФТИ. E-mail:

[email protected]

Максим Алёхин. Выпускник факультета «Биомедицинская техника»

МГТУ им. Н.Э. Баумана. В 2011-2013 гг. – научный сотрудник

лаборатории суперкомпьютерных технологий Iscalare МФТИ.

Сергей Мусиенко. Выпускник МФТИ и МГИМО. Окончил Singularity

University в Кремниевой долине. В 2008-2011 гг. – зам. директора

Центра высоких технологий МФТИ. В 2011-2013 гг. – зам.

директора лаборатории регенеративной медицины МФТИ.

mailto:[email protected]

85

При составлении сборника использовались материалы Фонда

«Наука за продление жизни», лаборатории молекулярной

радиобиологии и геронтологии Института биологии Коми

научного центра УрО РАН, лаборатории регенеративной

медицины МФТИ, компании «Квантум Фармасьютикалс»,

лаборатории суперкомпьютерных технологий Iscalare МФТИ,

отчеты по исследовательским программам NASA, ESA и DARPA,

а также другая информация в свободном доступе из

открытых источников.

86

Все, что можно представить, -

можно осуществить.

www.living-aerospace.ru

http://www.living-aerospace.ru/

Living AeroSpace. Перспективная программа экспериментов в...

Documents

Transcript of Living AeroSpace. Перспективная программа экспериментов в...