Перспективы применения анализа слезной жидкости в космической медицине

ВВЕДЕНИЕ

Пребывание человека в космосе сопряжено с многочисленными медико-биологическими рисками. С началом пилотируемых космических полетов у космонавтов были обнаружены значительные адаптационные сдвиги водно-солевого обмена, обусловленные изменениями показателей сердечно-сосудистой системы и нейрогормональной регуляции. В основе развития данных сдвигов, как было показано, лежит волюморегулирующий рефлекс, проявляющийся клинически незначимыми изменениями концентраций осмотически активных веществ в крови. Вместе с тем выявлена тесная корреляция между первоначальной вестибуловегетативной устойчивостью космонавтов и спецификой их нейрогормональных изменений при воздействии факторов космического полета [1].

Начальный период действия невесомости вследствие перераспределения крови в краниальном направлении сопряжен со скачками в центральной и почечной гемодинамике и характеризуется снижением секреции гормонов ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС) и антидиуретического гормона при формировании нового водно-электролитного гомеостаза с отрицательным балансом натрия и кальция [2]. Наблюдаемые гипогидратация и гиповолемия организма, ассоциированные с первичными адаптационными гормональными механизмами, способствуют повышению продукции волюмо- и осморегулирующих гормонов [3]. Указанные реакции могут приводить к развитию патологических изменений сердечно-сосудистой системы и системы гемостаза, повышать риск возникновения уролитиаза, вызывать деминерализацию костной ткани [1].

Мониторинг процесса метаболической адаптации космонавтов к микрогравитации является важнейшим аспектом реализации космических миссий. Для высокоточного контроля за физиологическими показателями применяются различные методы, направленные на исследование молекулярных биомаркеров состояния организма космонавтов. Повышение эффективности анализа основных функциональных систем организма космонавтов остается комплексной проблемой, связанной как с модернизацией современных диагностических процедур, так и с минимизацией ошибок и облегчением интерпретации полученных данных. В условиях космического полета важнейшим фактором является выбор наиболее неинвазивного для забора биоматериала, обладающего применимым для дальнейшей оценки качественным и количественным составом.

Слезная жидкость (СЖ) представляет собой одну из наиболее доступных биологических жидкостей для анализа, характеризующихся неинвазивностью забора пробы и широкой изученностью состава, компонентно эквивалентного плазме крови [4–6]. Слезопродукция регулируется автономной нервной системой, что позволяет железам быстро адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды и нарушениям гомеостаза при развитии патологических процессов [7].

Цель исследования — оценка возможности использования анализа отдельных показателей слезной жидкости в космической медицине.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Поиск, системный анализ и обзор научной литературы выполнен в электронных библиографических базах данных на русском (eLibrary, CyberLeninka) и английском (Web of Science, Scopus, PubМed) языках. Поисковые запросы включали ключевые слова: слезная жидкость, сбор слезной жидкости, метаболизм слезной жидкости, водно-солевой метаболизм, гомеостаз, осморегуляция, клубочковая фильтрация, гормональная регуляция, неспецифические факторы защиты, белки острой фазы, система гемостаза, дофаминовая система, биомаркеры, гипокинезия, иммерсия, космический полет, микрогравитация (tear fluid, tear fluid collection, tear fluid metabolism; water-salt metabolism, homeostasis, osmoregulation, glomerular filtration, hormonal regulation, nonspecific protective factors, acute phase proteins, hemostasis system, dopamine system, biomarkers, hypokinesia, immersion, space flight, microgravity). Глубина поиска составила 10 лет. Критериями включения были наличие структурированной информации о методах забора слезной жидкости, прогностических и диагностических биомаркерах адаптации организма к условиям космического полета и при его имитации, качественных и количественных методах их определения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Методы забора слезной жидкости

Метод забора СЖ может влиять на ее состав. На сегодняшний день взятие слезы для биохимического анализа осуществляется двумя методами: микрокапилляром с минимальным раздражением конъюнктивы и путем абсорбции с помощью поглощающего материала (фильтровальная бумага, поливинилацетатные губки) [8].

Отбор биообразцов микрокапиллярными пробирками без прикосновения к глазу обеспечивает оптимальную для дальнейших исследований, нестимулированную СЖ с минимальным сопутствующим компонентом [9]. Однако ввиду высокого риска механической травмы данный способ требует участия специально подготовленного персонала, что ограничивает его применение в рутинной практике [4].

Преимуществом использования фильтровальной бумаги при сборе СЖ является относительная атравматичность, простота метода, более легкая пробоподготовка [10]. Кроме того, немаловажным критерием выбора является применимость указанного метода при дефицитах водного компонента слезной пленки, наблюдаемого в условиях микрогравитации [11][12].

Антибактериальные белки и натрийуретические пептиды

В нестимулированной СЖ определяется около 20 г/л белков, основную часть из которых по массе составляют белки, обладающие антибактериальной активностью: лизоцим, липокалин и секреторный иммуноглобулин А [7][13]. Лизоцим, будучи ведущим фактором неспецифической защиты СЖ, количественно преобладает над другими биологическими компонентами [14]. Так, по данным N.H. Agha et al., у членов экипажа Международной космической станции (МКС) во время космического полета отмечали выраженное повышение концентрации лизоцима относительно до- и послеполетных величин [15].

Натрийуретические пептиды (НУП) — группа белков малой молекулярной массы, основным источником которых в физиологических условиях является ткань предсердий [16]. В настоящее время идентифицировано 3 типа НУП и продуктов их органического протеолиза, используемых в клинико-диагностической практике: предсердные натрийуретические пептиды (ANP), мозговые натрийуретические пептиды (BNP), натрийуретические пептиды типа C (CNP) [17]. Последние представляют собой местный регулирующий фактор сосудов и костей и не секретируются в кровь [18]. Основной физиологический эффект НУП — снижение нагрузки на миокард от гемодинамических факторов [19]. В ответ на повышение давления на сердечную стенку НУП вызывают перераспределение жидкости во внесосудистый сектор на уровне капиллярного русла, венодилатацию и стимуляцию натрийуреза за счет увеличения скорости клубочковой фильтрации и депрессии РААС [18][20].

В начальный период действия невесомости и в условиях моделируемой микрогравитации отмечалось максимальное повышения уровня НУП в плазме крови при одновременном снижении симпатического влияния [21][22].

Д.Ю. Соснин и соавт. исследовали содержание в СЖ N-терминального отрезка предшественника BNP (NT-proBNP), секретируемого в эквимолярном BNP соотношении и более стабильного при высвобождении. Показана высокая корреляция между концентрацией NT-proBNP в сыворотке крови и в слезе как в норме, так и при развитии офтальмопатологии [23][24].

Компоненты ренин-ангиотензин-альдостероновой системы

Важную роль в адаптации водно-электролитного метаболизма к условиям космического полета играет состояние РААС, значительно влияющей на осморегулирующую функцию почек [25]. Основным эффектором РААС является олигопептидный гормон ангиотензин-II (АТ2) [26]. АТ2 обладает вазоконстриктивными свойствами, стимулирует выработку альдостерона и антидиуретического гормона, повышая реабсорбцию натрия и способствуя развитию гиперволемии [27].

В ходе экспериментов с «сухой» иммерсией было выявлено достоверное снижение активности ренина плазмы и концентрации АТ2 в сыворотке крови [28][29].

В конце прошлого века в зрительной системе человека была обнаружена локальная система ренин-ангиотензин с компонентами (проренин, ренин, ангиотензин-превращающий фермент, АТ2) в концентрациях, превышающих таковые в плазме крови [30].

В настоящее время получены убедительные данные о диагностической значимости определения АТ2 при диабетической ретинопатии (ДР). Так, по данным авторов, у пациентов с ДР в слезе было зарегистрировано существенное повышение концентрации АТ2 в тесной корреляции с аналогичным показателем в сыворотке крови [31].

Компоненты дофаминовой системы

Описаны также негативные воздействия микрогравитации на дофаминовую систему мозга. Наблюдалось снижение экспрессии фермента синтеза дофамина тирозингидроксилазы в черной субстанции и снижение в гипоталамусе экспрессии рецептора дофамина 1-го подтипа [32]. Указанные изменения могут лежать в основе двигательных нарушений, дискинезии и паркинсоноподобных состояний во время и после космического полета, что было показано в исследованиях в рамках программы «Бион-М1» [33][34].

Участие дофаминергических нейронов в регуляции слезопродукции обусловливает более высокое в сравнении с плазмой крови содержание дофамина и его метаболитов в СЖ [35]. Sharma et al. отметили более чем трехкратное превышение уровня дофамина в слезе над его уровнем в плазме крови, свидетельствующее о высоком диагностическом потенциале СЖ как неинвазивного источника биомаркеров болезни Паркинсона (БП) и состояний, сопровождающихся снижением экспрессии генов дофаминовой системы [36].

Белки острой фазы

Начальный этап адаптации организма к микрогравитации, помимо вышесказанного, сопровождается повышением гуморальных факторов воспаления и изменением профиля гепатоцитарного синтеза белков острой фазы (БОФ), индуцируемого воспалительными цитокинами (интерлейкин-1β, интерлейкин-6 и фактор некроза опухолей α) посредством взаимодействия с печеночными клетками [37][38].

В эксперименте с 7-суточной «сухой» иммерсией была продемонстрирована соответствующая острой фазе ответа динамика БОФ в плазме крови. На вторые сутки пребывания в условиях моделируемой микрогравитации наблюдались статистически значимые изменения в уровнях гаптоглобина, α1-антитрипсина и α2-макроглобулина плазмы крови [39][40].

α2-макроглобулин — белок острой фазы, ингибитор протеолитических ферментов с широким спектром действия. При развитии воспалительных реакций он уменьшает повреждение структурных белков высвобождаемыми из лейкоцитов протеазами [41].

В течение ряда лет неоднократно проводились исследования диагностической значимости определения активности α2-макроглобулина в СЖ при офтальмологических и системных патологиях [42].

Обнаружено, что у пациентов с ранней стадией БП и при моделировании преклинической стадии паркинсонизма у мышей активность α2-макроглобулина в СЖ существенно превышала клиническую норму. Кроме того, показана высокая специфичность активности α2-макроглобулина (> 85%) [43], из чего можно сделать предположение о высокой перспективности изучения данного белка в качестве биомаркера отдельных нейродегенеративных заболеваний и состояний острого периода адаптации организма к условиям космического полета и при его имитации.

Компоненты системы гемостаза

Состояния, сопровождающиеся сдвигами в системе гемостаза и коагуляционного баланса, также влияют на состав СЖ. В остром периоде адаптации организма к микрогравитации, как было указано выше, наблюдаются сдвиги гемодинамики, приводящие, в свою очередь, к изменению реологических свойств крови [2][44]. Данные изменения наряду с гиподинамией, вероятно, могут индуцировать застойные явления в брюшной полости, повышающие риск развития тромбофилии у космонавтов [45]. Ярким примером служит случай окклюзионного тромбоза у члена экипажа МКС в ходе недавнего орбитального космического полета [46].

Определение D-димера (ДД), представляющего собой продукт протеолитической деградации фибрина, на сегодняшний день является широко распространенным тестом для оценки активности процессов фибринообразования и фибринолиза [47]. В ряде работ описаны достоверные изменения уровня ДД плазмы крови в период адаптации к гравитационной разгрузке, с тенденцией к увеличению у лиц с признаками повреждения эндотелия сосудов [48][49].

Слезная жидкость в своем составе содержит компоненты системы гемостаза. Так, А.Л. Мухой и соавт. продемонстрирована высокая диагностическая информативность в слезе уровней антитромбина III и плазминогена при сахарном диабете с осложненным течением и гипертоническом ангиосклерозе [50].

По результатам немногочисленных работ, посвященных определению уровня ДД в СЖ, выявлено статистически значимое повышение концентрации ДД у пациентов с окклюзией вен сетчатки по сравнению с контрольной группой при незначительных изменениях в плазме крови [51].

Риск развития окклюзионных поражений сетчатки в условиях реальной микрогравитации, вероятно, обусловлен высоким содержанием нейротоксина гомоцистеина в плазме крови, зарегистрированным у космонавтов с офтальмопатологией до и во время космического полета [52].

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о необходимости дальнейшего исследования диагностического потенциала ДД в слезе.

Адаптационная перестройка водно-электролитного баланса, фиксируемая на ранней стадии воздействия невесомости, может отражаться на минеральном составе СЖ. Базальная слеза характеризуется бóльшими по сравнению с сывороткой крови концентрациями ионов калия и натрия, обеспечивающими метаболические процессы на уровне глазной поверхности посредством Na, K-АТФазы слезных желез [53]. Возрастание уровня ионов кальция в СЖ определяется при бактериальных инфекциях, циститах и синдроме сухого глаза [54][55].

Фармакологические исследования

Актуальным аспектом медико-биологического обеспечения пилотируемых космических полетов остается комплектование бортовых аптечек с учетом потенциального изменения фармакологических свойств отдельных лекарственных препаратов под постоянным воздействием экстремальных факторов на организм космонавтов. Фармакокинетические исследования противорвотных, противовоспалительных и антибактериальных средств во время полета демонстрировали достоверное уменьшение показателей биодоступности активных веществ относительно аналогичных значений на Земле [56]. К настоящему моменту ретроспективный анализ ограничен неоднородностью проводимых экспериментов [57].

Несмотря на трудно корректируемую проницаемость гематоофтальмического барьера, установлена корреляционная взаимосвязь между концентрациями нормотимиков, макролидных и бета-лактамных антибиотиков в плазме крови и СЖ [58][59]. Расширение представления о закономерностях поступления лекарственных препаратов и их метаболитов в слезу является перспективной задачей, решение которой позволит оптимизировать и стандартизовать методы изучения фармакокинетических и фармакодинамических свойств различных соединений для более эффективного формирования медицинских укладок на борту космических аппаратов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании приведенных данных можно сделать предварительный вывод о высоком диагностическом и прогностическом потенциале анализа СЖ при широком спектре патологий и нарушений, регистрируемых при действии на организм космонавтов факторов космического полета. Отличающееся своей неинвазивностью и нетрудоемкостью при выполнении в надлежащих условиях исследование состава слезы представляется перспективным методом мониторинга состояния функциональных систем, а также контроля коррекции отклонений физиологических параметров, индуцируемых во время космических миссий. Важнейшим аспектом для практического применения является поиск специфичных изменений компонентов СЖ, которые могут представлять собой чувствительные биомаркеры адаптации организма к микрогравитации и в последующем к другим экстремальным факторам космического пространства, успешное преодоление которых послужит катализатором для осуществления межпланетных экспедиций.