________________________________________________________________________________________
Kozmická biológia a medicína (Ladislav Macho, Richard Kvetňanský)
Už začiatkom sedemdesiatych rokov minulého storočia mali pracovníci nášho ústavu medzinárodne uznávané výsledky z oblasti výskumu odpovedi neuroendokrinného systému a metabolických procesov na stresové podnety. Preto sa predstavitelia Pracovnej skupiny pre kozmickú biológiu a medicínu v programe Interkozmos obrátili v roku 1974 na vedenie ústavu o zapojenie sa ústavu do výskumu endokrinných funkcií a metabolických procesov u experimentálnych zvierat a u človeka po vystavení podmienkam kozmických letov. Pre vedeckých pracovníkov ústavu sa tak otvárala možnosť skúmať odpoveď organizmu a procesy adaptácie zvierat a ľudí na úplne nový podnet – mikrogravitáciu, s ktorým sa pred vstupom do kozmického priestoru organizmus nemohol stretnúť.
V prvom období sa pracovníci ústavu zamerali na sledovanie stresového pôsobenia faktorov kozmického letu na experimentálne zvieratá. Od nášho vstupu do programu Interkozmos sa na „biosputnikoch“ série BION-KOZMOS používali predovšetkým zvieratá – potkany dochované na ÚEE SAV v podmienkach SPF (zbavené choroboplodných zárodkov), čím sa zabránilo prípadným infekciám zvierat v priebehu letu a zvieratá sa vracali na Zem v dobrom zdravotnom stave. Pre modelové pokusné sledovania sa nami vyprodukované zvieratá zasielali aj na spolupracujúce pracoviská, najmä do zariadení NASA v USA, čím sa získaval aj prístup k výsledkom, ktoré sa dosiahli v týchto laboratóriách.
V priebehu takmer 25 ročnej výskumnej aktivity v oblasti kozmickej biológie a medicíny sa pracovníci ústavu zúčastnili na 7 kozmických letoch experimentálnych zvierat na biosputnikoch série BION-KOZMOS. Ďalej spolupracovali na 7 letoch s ľudskou posádkou na sledovaní funkcie endokrinného systému u kozmonautov bývalého ZSSR, ČSFR, Francúzsky, Rakúska a prvého kozmonauta Slovenskej republiky.
A) Sledovania u pokusných zvierat
Základná schéma experimentov na biosputnikoch zahŕňala 3 skupiny zvierat: A – zvieratá vystavené kozmickému letu, B – zvieratá v tzv. synchrónnom modelovom pokuse (skupina zvierat prechovávaná na Zemi v rovnakých podmienkach ako potkany na biosputnikoch so simuláciou hluku, trasenia, preťaženia, osvetlenia, teploty okolia, s individuálnym umiestnením a kŕmením a pod., ale bez mikrogravitácie), C – kontrolné zvieratá chované v štandardných podmienkach zverinca.
V roku 1975 sa realizoval 19,5-dňový kozmický let pokusných zvierat na biosputniku BION-3-KOZMOS 782. Analýza plazmy v našich laboratóriách ukázala, že v prvých hodinách po tomto relatívne dlhom kozmickom lete dochádza k miernemu zvýšeniu stresových hormónov – kortikosterón, adrenalín a noradrenalín, ďalej sa zistil vzostup inzulínu a glukózy, ale hladiny hormónov štítnej žľazy sa výraznejšie nemenili. Porovnanie získaných výsledkov so zmenami aktivity týchto hormónov v plazme po vystavení potkanov akútnemu alebo chronickému stresu viedlo k záveru, že ani takmer trojtýždňový kozmický let nie je pre sympatiko-adrenálny systém zvierat intenzívne pôsobiaci chronický stresový podnet. Zvýšenie katecholamínov v plazme možno skôr pripísať stresovým faktorom pôsobiacim pri pristávaní biosputnika (Kvetňanský a spol., 1979; Macho a spol., 1996). Sledovali sa tiež dopady zvýšenej hladiny kortikosterónu na aktivity enzýmov v pečeni, ktoré sú regulované glukokortikoidami. Zistilo sa, že v prvých hodinách po lete je zvýšená aktivita tyrozín aminotransferázy (TAT), tryptofán pyrolázy (TP) a serín dehydratázy, čiže enzýmov metabolizmu aminokyselín, ktorých aktivity sa rýchlo zvyšujú pri kratšie trvajúcom vzostupe kortikosterónu, napr. pri akútnom strese. Okrem toho sa zvýšili aj aktivity alanín aminotransferázy (ALT) a aspartát aminotransferázy (AST), teda enzýmov, ktoré potrebujú na vzostup aktivity až niekoľko dní pretrvávajúce zvýšené hladiny kortikosterónu. K takémuto zvýšeniu aktivity enzýmov dochádza pri opakovanom, chronickom strese. Tieto výsledky spolu so zvýšením hmotnosti nadobličiek ukázali, že kôra nadobličiek bola pri kozmickom lete stimulovaná niekoľko dní a nie len počas pristávacieho manévru biosputnika.
Ďalší kozmický let pokusných zvierat v roku 1977 na biosputnikou BION-KOZMOS 936 trval 18,5 dňa. Pre tento let sme navrhli pridať ďalšiu skupinu potkanov, ktorá bola v priebehu letu priamo na palube biosputnika v centrifúge v umelej gravitácii 1G, teda v gravitačných podmienkach ako na zemskom povrchu.
Zistili sa zvýšené hladiny kortikosterónu v plazme zvierat, ktoré boli počas kozmického letu v mikrogravitácii, ale nie u zvierat, ktoré boli na palube biosputnika v umelej gravitácii. V súhlase so zmenami kortikosterónu v plazme sa našla aj zvýšená aktivita tyrozín aminotransferázy, tryptofán pyrolázy, alanín aminotransferázy a aspartát aminotransferázy u zvierat, ktoré boli počas letu pod vplyvom stavu beztiaže, ale nie u zvierat, ktoré boli v centrifúge pri 1G a nemali zvýšené hladiny kortikosterónu (Németh a spol. 1981).
Stanovenie plazmatických hladín adrenalínu aj noradrenalínu ukázalo mierne zvýšené hodnoty krátko po lete zvierat, ktoré boli počas letu v mikrogravitácii, ale aj tých, ktoré boli v centrifúge, a preto je zvýšenie pravdepodobne dôsledkom akútneho stresu pri pristávaní (Kvetňanský a spol., 1981 a, b)
Cieľom sledovania funkcie endokrinného systému experimentálnych zvierat vystavených 18,5-dňovému kozmickému letu BION-5-KOZMOS 1129 bolo prehĺbenie poznatkov o mechanizme adaptácie cicavcov na mikrogravitáciu a procesov readaptácie po návrate na Zem. V tomto projekte sa presadilo ako nový prvok jednak sledovanie kratšej 6-dňovej readaptačnej periódy a tiež testovanie odpovede zvierat na iný druh stresu v poletovom období. Rozšírilo sa sledovanie zmien obsahu katecholamínov v jednotlivých jadrách hypotalamu po vystavení kozmickému letu a stresu, ďalej skúmanie procesov lipolýzy a funkcie gonád.
Potvrdilo sa, že kozmický let je pre sympatiko-adrenálny systém len miernym stresovým podnetom a závažnú úlohu pri jeho stimulácii mali podmienky návratu na Zem (Macho a spol., 2001). Pri sledovaní funkcie nadobličiek sa u zvierat v prvých hodinách po lete a po ich vystavení imobilizačnému stresu našlo zvýšenie hladiny kortikosterónu v plazme, ktorá zostala vysoká aj po polhodinovej perióde. Po štyroch až piatich opakovaniach imobilizačného podnetu sa kortikosterón po strese do polhodiny vrátil na hodnoty pred stresom. Tieto výsledky ukázali, že adrenokortikálny systém zvierat vystavených kozmickému letu reagoval na ďalší stres ako pri akútnej expozícii stresu. Nakoľko imobilizácia je iný druh stresového podnetu ako mikrogravitácia, akútny typ reakcie na imobilizáciu poukázal na špecificitu stresového podnetu, ale nevylúčil chronický stres počas letu. Výsledky ďalej ukázali, že adrenokortikálny systém zvierat vystavených letu sa rýchle adaptoval na imobilizačný stres. Zvieratá, ktoré boli počas letu v mikrogravitácii však reagovali na opakovanú stresovú záťaž – imobilizáciu – v poletovom období vyšším vzostupom kortikosterónu ako kontrolné skupiny (Kvetňanský a spol., 1980 a, b). pozoruhodným nálezom bolo zvýšenie obsahu glykogénu v pečeň po kozmickom lete (Macho a spol., 1996).
Cieľom 5-dňového kozmického letu BION-6-KOZMOS 1514 bola realizácia projektu „ONTOGENÉZA“, ktorý v porovnaní s predchádzajúcimi letmi umožnil viacero pôvodných sledovaní vplyvu mikrogravitácie na endokrinné funkcie u gravidných samíc. Zámerom bolo ďalej skúmanie vplyvu mikrogravitácie na fetálny vývoj mláďat a sledovanie vplyvu kozmického letu na postnatálny vývoj cicavcov. Výsledky ukázali, päťdňové vystavenie matiek mikrogravitácii a podmienkam kozmického letu vyvolalo len mierne zmeny vo vývoji aktivity sympatiko-adrenálneho systému.
Hladiny rastového hormónu boli znížené u zvierat vo veku 30 a 100 dní, ak boli vystavené kozmickému letu v priebehu fetálneho vývoja, ale kozmický let neovplyvnil hladiny prolaktínu v plazme mláďat. Rovnako sa nezistil vplyv vystavenia kozmickému letu počas fetálneho vývoja na priebeh hladín inzulínu v posnatálnom období. Zvieratá vystavené počas fetálneho vývoja kozmickému letu mali podobné aktivity enzýmov metabolizmu aminokyselín v pečeni ako kontrolná a modelová skupina. Výsledky potvrdili, že vystavenie zvierat mikrogravitácii počas fetálneho vývoja neovplyvnilo vývoj aktivity enzýmov v pečeni v priebehu postnatálneho rastu (Macho a spol., 1993).
Krátkodobý 7-dňový kozmický let na biosputniku BION-7-KOZMOS 1667 umožnil porovnanie účinkov dlhodobých a krátkodobých letov a sledovanie pôsobenia mikrogravitácie a podmienok kozmického letu na metabolické procesy.
Podobne ako v predchádzajúcich pokusoch s dlhším pobytom v kozme, sa v plazme aj po kratšom lete pozorovalo zvýšenie hladín kortikosterónu v porovnaní s kontrolami a modelovou skupinou. Hladiny inzulínu, glykémie neesterifikovaných mastných kyselín boli u zvierat vystavených letu vyššie ako u kontrol a v modelovej skupine. Napriek vyšším plazmatickým hladinám inzulínu po kozmickom lete sa nedostavil adekvátny pokles glukózy, čo poukazovalo na zníženie citlivosti tkanív na inzulín a preto sa začala séria pozorovaní zmien väzba inzulínu na špecifické receptory vo vybraných tkanivách. Určenie väzby inzulínu na membrány pečeňových buniek ukázalo, že nie sú významné rozdiely vo väzbe u zvierat po kozmickom lete a u kontrol.
Aj v tomto krátkodobom lete sa pozorovalo zvýšenie aktivity TAT, TP, ALT a AST a vzostup obsahu glykogénu v pečeni.
Po 13 dní trvajúcom kozmickom lete BION-8-KOZMOS 1887 sa pokračovalo v sledovaní väzby inzulínu na membránové receptory v pečeni. Pozorovalo sa zvýšenie hmotnosti pečene, vzostup obsahu glykogénu v pečeni, ale parametre väzby inzulínu na membrány pečeňových buniek sa nezmenili. Podobne ako v predchádzajúcich experimentoch sa dokázalo zvýšenie hladín inzulínu, glukózy v plazme, vzostup aktivity ALT a AST v pečeni (Macho a spol., 1994).
Cieľom letu BION-9-KOZMOS 2044 bolo porovnať pôsobenie 14-dňového reálneho kozmického letu a antiortostatickej hypokinézy (HK, zavesenie zvierat so zdvihnutými zadnými končatinami), často používanej ako model simulujúci účinky mikrogravitácie. Pozoroval sa vzostup hladín noradrenalínu po lete, ale nie pri hypokinéze. Nezistili sa zmeny adrenalínu a dopamínu. ACTH v plazme stúpal po lete aj u HK, prolaktín sa mierne zvyšoval po lete, ale nie po HK. Väzba inzulínu na membrány tukových buniek bola významne zvýšená po lete aj pri HK. Našlo sa tiež zvýšenie aktivity enzýmov TAT a TP po lete aj pri HK. Výsledky ukázali, že nie vo všetkých parametroch je zhoda zmien po kozmickom lete a jeho simulovaní antiortostatickou hypokinézou (Macho a spol., 2001).
B) Účinky kozmického letu u ľudí
Originálnym prínosom pracovníkov ústavu v oblasti výskumu vplyvu kozmického letu na ľudský organizmus bolo zisťovanie stupňa stresovej záťaže, zmien hladín hormónov priamo v priebehu kozmického letu počas pobytu kozmonautov na kozmických staniciach. Na realizáciu tohto zámeru bol zvolený originálny prístup, ktorým bol návrh, výroba a využitie súprav PLAZMA 01 až 03 na odber krvi a jej prvotné spracovanie počas letu (Folprecht a spol., 1984; Kvetňanský a spol., 1988; Kvetňanský a spol., 1991). Súprave 01 vyrobenej v bývalých vývojových dielňach ČSAV bol udelený aj medzinárodný patent.
V predchádzajúcich kozmických letoch sa u kozmonautov stanovovali hladiny hormónov a ďalších látok v krvi prevažne po lete v prvých hodinách až dňoch po pristátí a ukazovali sa rozdiely u jednotlivých kozmonautov. Napríklad hladina kortizolu v plazme u A. G. (ZSSR) po opakovanom kozmickom lete bola podobná ako v predletovom období, u kozmonauta V. R. (ČSFR), ktorý absolvoval prvý let, bola v období po kozmickom lete výrazne zvýšená. Pri takto usporiadanom sledovaní sa nemohlo zistiť, či po opakovaných letoch dochádza u ľudí k adaptácii na mikrogravitáciu a na podmienky kozmického letu a ani získať predstavu, aké sú hormonálne zmeny priamo počas letu. Využitie súpravy PLAZMA 01 umožňovalo odber priamo na palube kozmickej lode, spracovanie a zmrazovanie vzoriek, ich bezpečný transport na Zem.
Získali sa pôvodné výsledky o hladinách hormónov počas kozmických letov a zistilo sa na základe analýzy plazmatických hladín prevažne stresových hormónov, že mikrogravitácia nie je závažným stresovým faktorom. V priebeh kozmického letu sa hlavné hormóny stresu katecholamíny (adrenalín a noradrenalín) len mierne zvýšili, zostali vo fyziologickom rozmedzí, ale výraznejšie stúpali až v období niekoľko dní po lete (Kvetňanský a spol., 1991; Macho a spol., 1991 b). Aj pri dlhodobých letoch nedošlo k výraznému zvýšeniu katecholamínov. Pozorovalo sa len mierne zvýšenie kortizolu v plazme.
Toto sledovanie funkcie neuroendokrinného systému v priebehu kozmického letu sa robilo za podmienok pokoja pri jednorázovom odbere vzoriek krvi. Nedalo však odpoveď na otázku, ako kozmonauti zvládajú rôzne stresové zaťaženie počas letu, či je odpoveď neuroendokrinného systému na záťaž rovnaká ako v podmienkach na Zemi. Preto ďalším originálnym prístupom našich odborníkov bolo zavedenie záťažových testov (mentálna, fyzická a metabolická záťaž) u šudí počas kozmického letu. Sledovania sa vykonávali v rámci vedeckého programu „ŠTEFÁNIK“ počas kozmického letu slovenského kozmonauta Ivana Belu v roku 1999 v spoločnom lete s ruským kozmonautom Viktor Mikhailovič Afanasjev na kozmickej stanici Sojuz 10. V rámci tohto programu sa vykonali v oblasti biologicko–lekárskych vied projekty ENDOTEST SK-3 a SENZOASYMETRIA, ktoré sledovali fyziologické funkcie u ľudí a vtedajší riaditeľ ÚEE SAV RNDr. Richard Kvetňanský bol vedeckým koordinátorom projektu a riadil jeho priebeh z kozmodromu Bajkonur.
Projekt ENDOTEST mal za cieľ posúdiť funkčnú rezervu v odpovedi neuroendokrinného systému na fyzickú záťaž a na zvládnutie náhlych nepredvídaných situácií so stresogénnym pôsobením na organizmus kozmonautov. V projekte ENDOTEST SK-3 sa kozmonaut podrobil fyzickému zaťaženiu na bicyklovom ergometri. Ďalší deň sa vykonal per orálny glukózovo tolerančný test (OGTT) a stanovili sa hladiny glukózy, inzulínu a C-peptidu.
Tento test mal ukázať, či doteraz pozorované zvýšenie glykémie a inzulínu po kozmickom lete je dôsledkom zmenenej pohybovej aktivity, gravitačnej záťaže svalového aparátu alebo ďalších metabolických zmien, ktoré sa prejavia už v priebehu letu. Ďalej sa tiež sledovala stresová odpoveď na mentálne zaťaženie tzv. aritmetickým testom, t.j. opakovaným odrátavaním nepárneho čísla a sledoval sa počet omylov a počet odrátaní v stanovenom čase. Výsledok testu je dôležitý z hľadiska posúdenia dopadov predletovej prípravy, so zreteľom na nároky na psychické zaťaženie počas kozmického letu spojené s realizáciou náročných úloh počas letu, dodržiavania časového harmonogramu a komplikovanej pilotáže kozmickej lode. Ukázalo sa, že fyzická práca počas letu vyvoláva výrazne vyššiu odpoveď stresových hormónov (katecholamínov, kortizolu, rastového hormónu a prolaktínu) pri porovnaní s reakciou pred a po kozmickom lete (Kvetňanský a spol., 2001; Macho a spol., 2003). Výsledky metabolickej záťaže glukózou (OGTT) ukázali, že počas kozmického letu sú po podaní glukózy výrazne vyššie hladiny glykémie a inzulínu v porovnaní s predletovým testom a táto porucha sa dokonca prejavila aj na 15. deň po ukončení kozmického letu. Mentálne zaťaženie sa neprejavilo výraznejšími rozdielmi.
Pozoruhodné výsledky našich pracovníkov v oblasti kozmickej biológie a medicíny mali aj významný medzinárodný ohlas. Viacerí pracovníci dosiahli medzinárodné ocenenia zvolením za členov Medzinárodnej astronautickej akadémie (MAA), do funkcií v MAA a medzinárodnej astronautickej federácie, do COSPARU (Committee on Space Research) a pod. V roku 1993 získali aj cenu Predsedníctva Medzinárodnej astronautickej akadémie za pôvodný prínos v oblasti pôsobenia mikrogravitácie na endokrinný systém – „Life Sciences Award of IAA“.
Literatúra
• Folprecht R., Neužil J., Štepán L., Kvetňanský R., Vigaš M., Macho L.: Preceedings of 35 Congres IAF, Lausanne, 1984, No. IAF-84-168, pp. 1-4, 1984.
• Kvetňanský R., Tigranin R. A., Torda T., Repcekova D., Jahnova E., Murgaš K.,: Kosmic. Biol. 14, 1, pp. 24-27, 1980a.
• Kvetňanský R., Tigranian R. A., Torda T., Serova L., Genin A. M., Macho L.: Effect of weight lessness on sympathetic-adrenomedullary activity of rats during space flight on the biosatellites Cosmos. Reprint XXXI. Congress IAF, Tokyo, Pergamon Press, Oxford, pp. 1-13, 1980b.
• Kvetňanský R., Torda T., Macho L., Tigranian R. A., Serová L., Genin A. M.: Acta Astronautica 8, pp. 469-481, 1981a.
• Kvetňanský R., Vigaš M., Tigranian R. A., Németh Š., Macho L.: Adv. Space Res., 1, pp. 187-192, 1981b.
• Kvetňanský R., Davydová N., Noskov V. B., Vigaš M., Popová I. A., Ušakov A., Macho L., Grigoriev A. I.: Acta Astronautica 17, pp. 181-186, 1988.
• Kvetňanský R., Noskov V. B., Blažíček P., Gharib C., Popová I. A., Gauguelin E., Macho L., guell A., Grigoriev A. I.: Acta Astronautica 23, pp. 109-116, 1991.
• Kvetňanský R., Koška J., Kšinantová L., Vigaš M.: acta Avionica, 3, pp. 81-86, 2001.
• Macho L., Ficková M., Zórad Š. Serová L., Popová I.: The Physiologist 34, pp. 90-91, 1991a.
• Macho L., Kvetňanský R., Vigaš M. Németh Š., Popová I., Tigranian R. A., Noskov V. B., Serová L., Grigoriev I. A.: Acta Astrnautica 23, pp. 117-121, 1991b.
• Macho L., Ježová D., Jurčovičová J., Kvetňanský R., Vigaš M., Serová L. B.: Endocr. Regulations. 27, pp. 11-16, 1993.
• Macho L., Ficková M., Švábová E., Zórad Š., Serová L., Popová I.: J. Grav. Physiol. 1, pp. 23-24, 1994.
• Macho L., Kvetňanský R., Németh Š., Ficková M., Popová I., Serová L., Grigoriev A. I.: Environ. Medicine, 40, 2, pp. 95-111, 1996.
• Macho L., Koška J., Kšínantová L., Vigaš M., Noskov V. B., Grigoriev A. I. Kvetňanský R.: J. Gravit. Physiol. 8, pp. 130-131, 2001.
• Macho L., Koška J., Kšinantová L., pacák K., Hoff T., Noskov V. B., Grigoriev A. I., Vigaš M., Kvetňanský R.: adv. Space Res. 31, pp. 1805-1610, 2003.
• Németh Š., Macho L., Palkovič M. Škottová N., Tigranian R. A., :Adv. Space Res. 1, pp. 219-224, 1981.
Nahor
