Сравнительная оценка протеомной регуляции состояния костной ткани в 21-суточной антиортостатической гипокинезии (-6°) и 21-суточной «сухой» иммерсии

Введение. Экспериментальные возможности во время реального космического полета ограничены, поэтому актуально использование наземных моделей, таких как «сухая» иммерсия (СИ) и антиортостатическая гипокинезия (АНОГ). Изменения костной ткани индуцируются изменением комплекса факторов внешней среды на протеомном уровне, компенсируя изменения, вызванные снижением гравитации и уменьшением двигательной активности, но в дальнейшем с продолжением воздействия включаются другие контуры регуляции.

Цель. Сравнительная оценка протеомной регуляции состояния костной ткани в 21-суточной антиортостатической гипокинезии (-6°) и 21-суточной «сухой» иммерсии.

Материалы и методы. Методами масс-спектрометрии исследовали образцы плазмы крови 8 здоровых испытателей-добровольцев мужчин (средний возраст 20–44 года) в условиях 21-суточной АНОГ и 10 испытателей (средний возраст 23–34 года) в условиях 21-суточной «сухой» иммерсии. Для статистического анализа и определения молекулярных функций и биологических процессов, в которых участвовали белки, применяли программный пакет Perseus. Соответствие основных биологических процессов, согласно генным онтологиям, указанным в базе данных GO, и определенных белков устанавливали с помощью базы знаний системы ANDSystem, STRING.

Результаты. Выявлено 9 белков с достоверно изменяющимся уровнем на 21-е сутки АНОГ (р < 0,05) и 8 белков с достоверно изменяющимся уровнем на 21-е сутки СИ (р < 0,05), связанных с биологическими процессами, протекающими в костной ткани. Часть выявленных белков связаны в устойчивые сети белок-белковых взаимодействий, то есть могут коэкспрессироваться. Выделены два общих белка (гаптоглобин и глутатионпероксидаза) на 21-е сутки СИ, 21-е сутки АНОГ.

Выводы. Полученные данные впервые обращают внимание на протеомные механизмы регуляции биологических процессов костной ткани у здоровых лиц под влиянием 21-суточной АНОГ и 21-суточной «сухой» иммерсии. Приведены аннотации каждого белка — участника биологических процессов в костной ткани в 21-суточной АНОГ (-6°) и 21-суточной «сухой» иммерсии. Эти результаты имеют большое значение для авиакосмической и клинической медицины.

1. Navasiolava NM, Custaud MA, Tomilovskaya ES, Larina IM, Mano T, Gauquelin-Koch G, et al. Long-term dry immersion: review and prospects. European Journal of Applied Physiology. 2011;111(7):1235–60. https://doi.org/10.1007/s00421-010-1750-x

2. Hajj-Boutros G, Sonjak V, Faust A, Balram S, Lagace JC, St-Martin P, et al. Myths and Methodologies: Understanding the health impact of head down bedrest for the benefit of older adults and astronauts. Study protocol of the Canadian Bedrest Study. Experimental Physiology. 2024;109(5):812–87. https://doi.org/10.1113/EP091473

3. Hargens AR, Vico L. Long-duration bed rest as an analog to microgravity. Journal of Applied Physiology. 2016;120(8):891–903. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00935.2015

4. Oganov VS, Rakhmanov AS, Novikov VE, Zatsepin ST, Rodionova SS, Cann Ch. The state of human bone tissue during space flight. Acta Astronautica. 1991;23:129–33. https://doi.org/10.1016/0094-5765(91)90109-i

5. Baran R, Wehland M, Schulz H, Heer M, Infanger M, Grimm D. Microgravity-related changes in bone density and treatment options: a systematic review. Internation Journal of Molecular Sciences. 2022;23(15):8650. https://doi.org/10.3390/ijms23158650

6. Man J, Graham T, Squires-Donelly G, Laslett AL. The effects of microgravity on bone structure and function. NPJ Microgravity. 2022;8(1):9. https://doi.org/10.1038/s41526-022-00194-8

7. Ларина ИМ, Моруков БВ, Григорьев АИ. Циркадианные ритмы минералотропных гормонов человека во время продолжительной антиортостатической гипокинезии. Физиология человека. 1999;25(6):89–95.

8. Григорьев АИ, Моруков ВВ. 370-суточная антиортостатическая гипокинезия (задачи и общая структура исследования). Космическая Биология и Авиакосмическая Медицина. 1989;23(5):47–50.

9. Austermann K, Baecker N, Zwart SR, Fimmers R, Stehle P, Smith SM, et al. Effects of antioxidant supplementation on bone mineral density, bone mineral content and bone structure in healthy men during 60 days of 6° head-down tilt bed rest: Results from a randomised controlled trial. Nutrition Bulletin. 2023;48(2):256–66. https://doi.org/10.1111/nbu.12619

10. Inoue M, Tanaka H, Moriwake T, Oka M, Sekiguchi C, Seino Y. Altered biochemical markers of bone turnover in humans during 120 days of bed rest. Bone. 2000;26(3):281–6. https://doi.org/10.1016/s8756-3282(99)00282-3

11. Tomilovskaya E, Shigueva T, Sayenko D, Rukavishnikov I, Kozlovskaya I. Dry immersion as a ground-based model of microgravity physiological effects. Frontiers in Physiology. 2019;10:284. https://doi.org/10.3389/fphys.2019.00284

12. Saveko A, Bekreneva M, Ponomarev I, Zelenskaya I, Riabova A, Shigueva T, et al. Impact of different ground-based microgravity models on human sensorimotor system. Frontiers in Physiology. 2023;14:1085545. https://doi.org/10.3389/fphys.2023.1085545

13. Kotov SA, Oganov VS, Skripnikova IA. Imitation of the early effects of weightlessness in human bone tissue in conditions of head down bed rest and dry immersion. Proceedings of the conference of young scientists. Moscow; 2003 (In Russ.).

14. Baecker N, Tomic A, Mika C, Gotzmann A, Platen P, Gerzer R, et al. Bone resorption is induced on the second day of bed rest: results of a controlled crossover trial. Journal of Applied Physiology. 2003;95(3):977–82. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00264.2003

15. Маркин АА, Моруков БВ, Журавлева ОА, Заболотская ИВ, Вострикова ЛВ, Ляпунова НА и др. Динамика биохимических показателей крови в эксперименте с 7-дневной иммерсией. Авиакосмическая и Экологическая Медицина. 2008;42:56–9. EDN: RBLSWZ

16. Linossier MT, Amirova LE, Thomas M, Normand M, Bareille MP, Gauquelin-Koch G, et al. Effects of short-term dry immersion on bone remodeling markers, insulin and adipokines. PLoS One. 2017;12(8):e0182970. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0182970

17. Brzhozovskiy AG, Kononikhin AS, Pastushkova LC, Kashirina DN, Indeykina MI, Popov IA, et al. The effects of spaceflight factors on the human plasma proteome, including both real space missions and ground-based experiments. International Journal of Molecular Sciences. 2019;20(13):3194. https://doi.org/10.3390/ijms20133194

18. Shukuri T, Nakai K, Tanaka S, Yamada S, Tokumoto M, Tsuruya K, et al. Angiotensin II receptor blockers and bone fracture in chronic kidney disease patients: the Fukuoka kidney disease Registry Study. Clinical and Experimental Nephrology. 2023;27(11):919–27. https://doi.org/10.1007/s10157-023-02385-3

19. Zhang Y, Wang L, Song Y, Zhao X, Wong MS, Zhang W. Renin inhibitor aliskiren exerts beneficial effect on trabecular bone by regulating skeletal renin-angiotensin system and kallikrein-kinin system in ovariectomized mice. Osteoporosis International. 2016;27:1083–92. https://doi.org/10.1007/s00198-015-3348-y

20. Zhang Y, Li XL, Sha NN, Shu B, Zhao YJ, Wang XL, et al. Differential response of bone and kidney to ACEI in db/db mice: A potential effect of captopril on accelerating bone loss. Bone. 2017;97:222–32. https://doi.org/10.1016/j.bone.2017.01.029

21. Mo C, Ke J, Zhao D, Zhang B. Role of the renin-angiotensin-aldosterone system in bone metabolism. Journal of Bone and Mineral Metabolism. 2020;38(6):772–9. https://doi.org/10.1007/s00774-020-01132-y

22. Izbicka E, Dunstan CR, Horn D, Harris S, Adams R, Mundy GR. Effects of human tumor cell lines on local new bone formation in vivo. Calcified Tissue International. 1997;60(2):210–5. https://doi.org/10.1007/s002239900216

23. Li S, Teguh D, Wu D, Hu C, Inderjeeth CA, Xu J. Antidementia medication acetylcholinesterase inhibitors have therapeutic benefits on osteoporotic bone by attenuating osteoclastogenesis and bone resorption. Journal of Cellular Physiology. 2023;238(8):1823–35. https://doi.org/10.1002/jcp.31057

24. Souza LS, Rochette NF, Pedrosa DF, Lopes Magnago RF, Freire Filho TB, Vieira FLH, et al. Role of APOE gene in bone mineral density and incidence of bone fractures in brazilian postmenopausal women. Journal of Clinical Densitometry. 2018;21(2):227–35. https://doi.org/10.1016/j.jocd.2017.03.005

25. Пастушкова ЛХ, Гончарова АГ, Каширина ДН, Поляков АВ, Ларина ИМ. Определение протеомных маркеров, включенных в молекулярные сети нарушений в костной системе во время продолжительных космических полетов. Технологии Живых Систем. 2025;22(1):5–21.

26. Bergdolt S, Kovtun A, Hägele Y, Liedert A, Schinke T, Amling M, et al. Osteoblast-specific overexpression of complement receptor C5aR1 impairs fracture healing. PLoS One. 2017;12(6):e0179512. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0179512

27. Ignatius A, Schoengraf P, Kreja L, Liedert A, Recknagel S, Kandert S, et al. Complement C3a and C5a modulate osteoclast formation and inflammatory response of osteoblasts in synergism with IL-1β. Journal of Cellular Biochemistry. 2011;112(9):2594–605. https://doi.org/10.1002/jcb.23186

28. Pimenta-Lopes C, Sánchez-de-Diego C, Deber A, Egea-Cortes A, Valer JA, Alcala A, et al. Inhibition of C5AR1 impairs osteoclast mobilization and prevents bone loss. Molecular Therapy. 2023;31(8):2507–23. https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2023.04.022

29. Kunimatsu R, Rikitake K, Yoshimi Y, Putrani NAR, Hayashi Y, Tanimoto K. Bone differentiation ability of CD146-positive stem cells from human exfoliated deciduous teeth. International Journal of Molecular Sciences. 2023;24(4):4048. https://doi.org/10.3390/ijms24044048

30. Xiong W, Shu XL, Huang L, He SQ, Liu LH, Li S, et al. Bioinformatics analysis and experimental validation of differential genes and pathways in bone nonunions. Biochemical Genetics. 2024;62(6):4494–517. https://doi.org/10.1007/s10528-023-10633-0

31. Zhang H, Chen X, Xue P, Ma X, Li J, Zhang J. FN1 promotes chondrocyte differentiation and collagen production via TGF-β/PI3K/Akt pathway in mice with femoral fracture. Gene. 2021;769:145253. https://doi.org/10.1016/j.gene.2020.145253

32. Dakkumadugula A, Pankaj L, Alqahtani AS, Ullah R, Ercisli S, Murugan R. Space nutrition and the biochemical changes caused in Astronauts Health due to space flight: A review. Food Chemistry: X. 2023;20:100875. https://doi.org/10.1016/j.fochx.2023.100875

33. O’Leary TJ, Jackson S, Izard RM, Walsh NP, Carswell AT, Oliver SJ, et al. Iron status is associated with tibial structure and vitamin D metabolites in healthy young men. Bone. 2024;186:117145. https://doi.org/10.1016/j.bone.2024.117145

34. Nakashima M, Suzuki A, Hashimoto K, Yamashita M, Fujiwara Y, Miyamoto Y. Vitronectin regulates osteoclastogenesis and bone remodeling in a mouse model of osteoporosis. Anatomy and Cell Biology. 2024;57(2):305–15. https://doi.org/10.5115/acb.23.251

35. Aydın M, Avcı E. The role of oxidative stress and antioxidants in older individuals with osteoporotic hip fractures. Turkish Journal of Trauma and Emergency Surgery. 2025;31(1):9–14. https://doi.org/10.14744/tjtes.2024.89335

36. Cao J, Zhou A, Zhou Z, Liu H, Jia S. The role of GPLD1 in chronic diseases. Journal of Cellular Physiology. 2023;238(7):1407–15. https://doi.org/10.1002/jcp.31041

37. Li XS, Zhang JR, Zhao YL, Li Y, Sun Y, Liu T, et al. Reduced prealbumin is associated with bone mineral density in women with osteoporosis. Nutrition. 2017;33:338–42. https://doi.org/10.1016/j.nut.2016.08.002

38. Yanagihara Y, Inoue K, Saeki N, Sawada Y, Yoshida S, Lee J, et al. Zscan10 suppresses osteoclast differentiation by regulating expression of Haptoglobin. Bone. 2019;22:93–100. https://doi.org/10.1016/j.bone.2019.02.011

39. Föger-Samwald U, Vekszler G, Hörz-Schuch E, Salem S, Wipperich M, Ritschl P, et al. Molecular mechanisms of osteoporotic hip fractures in elderly women. Experimental Gerontology. 2016;73:49–58. https://doi.org/10.1016/j.exger.2015.11.012

40. Zhang W, Dong R, Diao S, Du J, Fan Z, Wang F. Differential long noncoding RNA/mRNA expression profiling and functional network analysis during osteogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells. Stem Cell Research and Therapy. 2017;8(1):30. https://doi.org/10.1186/s13287-017-0485-6