Агуреев А.Н., Афонин Б.В. Проведение космонавтами исследований состояния пищеварительной системы в условиях космического полета на орбитальных станциях. Материалы XLIV Обществ.-научных чтений, посвященных памяти Ю.А. Гагарина, г. Гагарин, 2017. С.179-193.

Авторы: Агуреев А.Н. / Афонин Б.В.

Проведение космонавтами исследований состояния пищеварительной системы в условиях космического полета на орбитальных станциях

Начало исследований состояния пищеварительной системы (ПС) в условиях космического полета (КП) положили экипажи, совершившие экспедиции на орбитальную станцию «МИР». Исследования начались с изучения кислотности желудка, с использованием методики «Ацидотест» и состояния эндокринной функции поджелудочной железы с использованием анализатора глюкозы «Глюкометр» [1, 2]. Следующей ступенью исследования ПС было проведение космического эксперимента (КЭ) "Эхо-ЖКТ", включавшего проведение глюкозотолерантного теста с использованием биохимического анализатора "Рефлотрон" (рис. 1) и ультразвуковых исследований (УЗИ) органов брюшной полости [3, 4]. В настоящее время для исследования особенностей изменений структурно-функционального состояния пищеварительной системы, возникающих в условиях космического полета, в ГНЦ РФ–ИМБП РАН разработан и подготовлен к проведению на борту Российского сегмента МКС медицинский космический эксперимент (КЭ) "Спланх". КЭ "Спланх" включает последовательное выполнение российским экипажами на МКС в условиях невесомости исследований состояния ПС, включающих определение в капиллярной крови из пальца биохимических показателей, накожную гастроэнтерографию, ультразвуковые исследования (УЗИ) внутренних органов, сосудов и допплерографические исследования кровотока в сосудах брюшной полости.

Определение состояния отдельных сегментов желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) всегда является сложной задачей, сопряженной с такими методами как гастродуоденоскопия, ректороманоскопия, рентгенография, радиоизотопные исследования, УЗИ и др. Врачу-гастроэтерологу хотелось, чтобы эти сложные, дорогие и громоздкие в выполнении исследования предварялись проведением простой неинвазивной экспресс-диагностики, наподобие методики ЭКГ в кардиологии. В настоящее время на роль такой методики претендует накожная электрогастроэнтерография (ЭГЭГ), в основе которой лежит запись с поверхности кожи электрических потенциалов различных отделов ЖКТ [3, 4].


Попытка проведения исследований электрической активности желудка была предпринята в рамках научной программы при полетах на орбитальную станцию МИР и закончилась разработкой опытного образца бортового гастрографа, способного регистрировать электрическую активность только желудка. Технические возможности прибора не позволяли получать запись гастроэнтерограмм без помех, а их обработка проводилась вручную, что, наряду с экономическими причинами, возникшими в то время, послужило препятствием для использования этого метода для реализации космического эксперимента.

Современный прибор для проведения ЭГЭГ – гастроэнтерограф [http://Гастроскан-ГЭМ] позволяет проводить запись электрической активности не только желудка, но и других отделов ЖКТ в любых условиях и положениях тела, за исключением физических нагрузок [http://gastroscan.ru/physician/egg/]. В настоящее время методика ЭГЭГ позволяет количественно охарактеризовать электрическую активность (ЭА) в желудке, двенадцатиперстной, тощей, подвздошной кишке и толстом кишечнике, т.е. практически во всех отделах ЖКТ труднодоступных для исследования даже в условиях клиники (рис. 2). Математическая обработка ЭГЭГ дает количественную оценку электрической активности основных отделов ЖКТ [5-7]. По отклонениям от нормальных значений и по соответствию с клиническими аналогиями стало возможным определять случаи, указывающие на дисфункцию или патологию того или иного сегмента [http://gastroscan.ru/physician/egg/]. Такие возможности ЭГЭГ давно привлекают внимание исследователей в космической гастроэнтерологии, где в условиях КП, проведение традиционной диагностики состояния различных отделов ЖКТ практически невозможно.

В настоящее время на МКС идет реализация первого этапа КЭ "Спланх". На 1-м этапе КЭ бортовым 2-х канальным гастроэнтерографом (Спланхограф), разработанным ГНЦ РФ ИМБП РАН совместно НПП "Исток-Система" РФ, проводятся исследования электрической активности желудочно-кишечного тракта (рис. 3). ЭГЭГ подкрепляется определением на бортовом анализаторе "Рефлоткрон-4" 7-и биохимических показателей в капиллярной крови из пальца, характеризующих состояние различных органов пищеварительной системы (рис. 4). Исследование ЭА ЖКТ – электрогастроэнтерография является важной составной частью КЭ "Спланх". В КЭ применен метод накожной ЭГЭГ, позволяющий с электродов, расположенных на коже, количественно оценивать величину ЭА основных отделов ЖКТ, по изменениям которой можно судить об изменениях их функциональной активности, подобно ЭКГ в кардиологии. Запись ЭГЭГ проводится в двух взаимно перпендикулярных отведениях, что позволяет выявлять изменение вектора распространения электрических сигналов в организме, связанное с изменением расположения отделов ЖКТ в брюшной полости (рис. 5). Для оценки функционального состояния основных отделов ЖКТ, по записанной ЭГЭГ, используется компьютерный анализ гастроэнтерограммы в частотных спектрах специфичных для желудка, двенадцатиперстной, тощей, подвздошной кишки, толстого кишечника [5]. Запись исходной ЭА отделов ЖКТ (фоновая ЭГЭГ) начинается утром, натощак перед завтраком. Для оценки реакции на прием пищи и пассажа ее по ЖКТ, запись ЭГЭГ продолжается во время завтрака и в течение 2-х часов после окончания приема пищи. Исследование ЭА ЖКТ в КЭ дополнены проведением натощак основных показателей, характеризующих состояние пищеварительной системы (билирубин, глюкоза, печеночные ферменты АсАт, АлАТ, ГГТ, панкреатическая амилаза, мочевая кислота) исследований на бортовом биохимическом анализаторе "Рефлотрон-4" (рис. 4). С целью выявления изменений в состоянии углеводного обмена и детоксикационной функции печени через 2 часа после завтрака (пищевая нагрузка) повторно определялся билирубин и глюкоза. На МКС КЭ проводится на 90- и 150-е сутки пребывания в условиях невесомости.

Первые исследования по программе КЭ "Спланх" были проведены космонавтами 38 экспедиции на МКС Олегом Котовым и Сергеем Рязанским. В настоящее время проведено по 2 сеанса КЭ у российских космонавтов 12-и экспедиций, в том числе у экипажа 42 экспедиции, в которой участвовала женщина космонавт Елена Серова. В 44 экспедиции Геннадий Падалка участвовал в обычном полугодовом полете, выполнил 2 сеанса, а Михаил Корниенко являлся участником совместного с США проекта – сверхдлительного годового полета. Он выполнил исследования по методике КЭ "Спланх" на 93-, 180- и 222-е сутки КП.

Прежде всего, следовало предположить, что причина, снижения ЭА ЖКТ могла быть связана с увеличением сопротивления кожных покровов, так как гигиена космонавтов состоит, преимущественно, в обтирании тела влажными салфетками. Космонавтам было рекомендовано более тщательно протирать кожу в местах прикрепления электродов. Последующие сеансы КЭ выявил аналогичную картину снижения электрической активности. Выявленная в первом исследовании особенность, указывающая на снижение электрической активности, в той или иной степени имела место при расшифровке гастроэнтерограмм.

Рисунок 3. Бортовой гастроэнтерограф – "Спланхограф".	Рисунок 4. Бортовой анализатор "Рефлотрон-4" с комплектом принадлежностей.

Получены уникальные данные, количественно характеризующие электрическую активность основных отделов ЖКТ в условиях невесомости, и выявлены особенности ЭГЭГ отличающиеся от тех, что получены в модельных экспериментах [6, 7]. Расшифровка полученных по каналам связи с МКС файлов ЭГЭГ показала неожиданную картину произошедших в невесомости изменений электрической активности. В отличие от наземных экспериментов, моделирующих невесомость, космонавтов в условиях невесомости отмечалось снижение натощак, как амплитуды, так и мощности электрического сигнала всех отделов ЖКТ (рис. 6). Это снижение доходило до 25% от значений, полученных у них в предполетный период. При этом во время приема завтрака и в 2-х часовой период после приема пищи ЭА была также низкой.

Другой причиной снижения электрической активности ЖКТ могло быть смещение вектора распространения электрических потенциалов основных отделов ЖКТ в связи с изменением расположения органов брюшной полости в невесомости. В обычной жизни изменение оси распространения электрического сигнала желудка наблюдается после приема пищи вследствие смещения, вызванного его заполнением [5-7]. При этом исходно более высокие значения в одном отведении, сменяются относительно низкими значениями, наблюдающимися в другом отведении, т.е. возникает инверсия между отведениями, которая может восприниматься как снижение. В невесомости происходит "всплывание" органов из-за отсутствия их веса и перемещение их в сторону грудной клетки, что должно приводить к изменению вектора распространения электрических сигналов, которое может проявляться снижением электрической активности по отношению к исходному. Это относительное уменьшение, связанное с изменением вектора распространения электрического сигнала от желудка и отделов кишечника, может восприниматься как снижение ЭА отделов ЖКТ.

Запись ЭГЭГ в КЭ "Спланх" проводилась в 2-х отведениях, расположенных перпендикулярно друг к другу (рис. 5). Проведенный анализ показал, что в 1/3 случаев изменение величин электрического сигнала в невесомости, можно было связать с изменением вектора распространения электрического сигнала, т.е. с инверсией доминирующего отведения. Такая инверсия сопровождалась снижением показателей электрической активности в доминирующем отведении и некоторым увеличением в противоположном, что указывало на изменение вектора распространения электрического сигала, по-видимому, связанное с изменением расположения отделов ЖКТ в условиях невесомости. Выявленная особенность с инверсией доминирующего отведения была более характерна для электрической активности желудка и толстого кишечника, расположение которых в брюшной полости в невесомости, по-видимому, изменялось.

В 2/3 случаев снижение электрической активности всех отделов ЖКТ не было связано с инверсией доминирующего отведения, что предполагало другой механизм. Расчет средних значений показателей электрической активности между двумя отведениями показал, что в условиях невесомости наблюдается снижение электрической активности во всех отделах ЖКТ (рис. 7). Снижение электрической активности желудка и кишечника в невесомости может быть связано с отсутствием веса находящегося в них пищевого химуса (пищи). Можно было предположить, что выявленная особенность связана с тем, что пища в условиях пребывания МКС не имеет веса. Ее продвижение по ЖКТ требует меньших энергетических затрат и сопровождается меньшей электрической активностью. Аналогией может служить легкое перемещение космонавтов внутри МКС в условиях невесомости, они буквально "парят" в воздухе станции (рис. 8).

В отличие от наземных экспериментов в КП не удалось выявить увеличение электрической активности ЖКТ натощак, отражающее его повышенную секреторную активность, возникающую при моделировании эффектов невесомости [6-8]. Выявленные в КП изменений электрической активности, отличаются от тех, что наблюдаются в наземных экспериментах, моделирующих эффекты невесомости (АНОГ, иммерсия, АНОП). Различия могут быть связаны с тем, что в наземных условия воспроизводятся такие факторы как гипокинезия и изменение гемодинамики, но не воспроизводится отсутствие веса пищевого химуса. В АНОГ И АНОП происходит изменение вектора гравитации на противоположный, но вес химуса остается. В этих условиях проявляется влияние на электрическую активность ЖКТ увеличившегося объема внутрижелудочного и внутрикишечного содержимого, связанного с активацией секреции, обусловленной гемодинамическим механизмом [3, 7]. В условиях невесомости имеет место гипокинетическое состояние желудка и кишечника, связанное с отсутствием веса, проявляющееся снижением их электрической активности. Это снижение, по-видимому, маскирует энергетические затраты ЖКТ на транзит увеличившегося объема химуса, обусловленного повышенной секреторной активностью, вызванной гемодинамической перестройкой в невесомости [3, 7].

Исследование в невесомости проявлений гиперсекреторного состояния ЖКТ и, вызывающей это состояние перестройки венозного кровотока в брюшной полости, планируется провести во 2-й и 3-й сери КЭ "Спланх" после доставки на МКС УЗ-сканера. УЗ-исследования будут направлены на выявление изменений органов и сосудов брюшной полости, возникающих в невесомости и, в том числе, изменений ультразвуковой картины отдельных сегментов ЖКТ.

Результаты исследований, имеющиеся в рамках первого этапа КЭ, позволили выявить косвенные признаки, по-видимому, связанные с увеличением внутрижелудочного и внутрикишечного содержимого, вызванного с повысившейся экскрецией желудочного и кишечного сока. Анализ электрической активности ЖКТ после и особенно во время приема пищи показывает, что в КП по сравнению с предполетными значениями во всех отделах, как и натощак наблюдается меньшая электрическая активность. Сравнение показателей ЭА полученных в КП во время и после приема пищи со значениями, полученными натощак, показывают, что в условиях невесомости во всех отделах тонкого кишечника относительный ответ на прием пищи примерно в 2 раза больше, чем в предполетный период. Относительно исходного состояния ЭА кишечника натощак в условиях невесомости отмечается большее увеличение и, соответственно, более выраженная реакция на прием пищи, чем в наземных условиях (рис. 9, рис. 9.1).

Увеличившийся ответ тонкого кишечника на прием пищи в невесомости трудно связать с непосредственным действием продуктов бортового рациона питания. При высоком качестве продуктов бортового рациона после 3-х, а особенно после 5 месяцев их употребления у космонавтов отмечается скорее отрицательное, чем положительное к ним отношение [9]. Большинство отмечает, что пищу воспринимают как необходимость для поддержания должного уровня работоспособности в КП. Выявленное относительное увеличение электрической активности после приема пищи, скорее всего, является отражением повысившейся экскреторной активности кишечника в невесомости. Облегченный транзит химуса в невесомости, по-видимому, маскирует избыточное его содержание натощак, но после приема пищи, имеющиеся незадействованные ресурсы ЖКТ выдают повышенный ответ относительно исходного состояния. Выявленная в КП особенность, связанная с относительно более выраженным увеличение ЭА ЖКТ после приема пищи, по-видимому, является отражением увеличения внутрижелудочного и внутрикишечного содержимого, в основе которого лежит гемодинамический механизм изменений пищеварительной системы, возникших в невесомости [3]. Изучение этого механизма с использованием ультразвуковых исследований органов и сосудов брюшной полости и допплегорафических исследований венозного кровотока планируется провести во 2- и 3-й серии КЭ "Спланх".


В КЭ "Спланх" получены результаты исследований электрической активности ЖКТ, отличающиеся от наземных экспериментов (АНОГ и иммерсия), моделирующих эффекты невесомости, в которых воспроизводятся гипокинетические и гемодинамические механизмы, но невозможно воспроизвести отсутствие веса пищи, имеющее место на МКС. Результаты, полученные при проведении КЭ "Спланх" на МКС, являются уникальными, впервые показавшими особенности электрической активности и, следовательно, функционального состояния основных отделов желудочно-кишечного тракта натощак, во время и после приема пищи в невесомости. Имеющийся в настоящее время объем исследований позволяет сделать предварительное заключение, что снижение электрической активности ЖКТ в невесомости, по-видимому, связано с отсутствием гравитационного фактора, а именно веса пищи и, соответственно, веса пищевого химуса, что приводит к меньшим энергетическим затратам при его перемещении. Отсутствие веса химуса создает условия для его облегченного продвижения по ЖКТ с меньшими энергетическими затратами, находящими свое отражение в снижении электрической активности, которое с течением времени может предполагать возникновение детренированности. Менее значимой причиной может быть смещение органов брюшной полости в невесомости, на которое указывает часть результатов, полученных в КЭ. Кроме связанного с отсутствием гравитационного фактора снижения электрической активности ЖКТ результаты КЭ позволили получить также косвенные признаки, характерные для проявлений повышенной секреторной активности пищеварительной системы, обусловленные гемодинамическим механизмом. Более углубленные исследования в этом направлении будут продолжены во 2- и 3-й серии КЭ "Спланх".

Литература:

1. Смирнов К.В., Уголев А.М. // “Космическая гастроэнтерология”, М., Наука, 1981, 277 с.
2. Смирнов К. В., Уголев А. М. Пищеварение и всасывание в кн. Космическая биология и медицина. 1997. Т 3. Кн. 1. С 357-401.
3. Афонин Б.В. Состояние пищеварительной системы в длительных космических полетах и гипокинезии // Рос. журн. гастроэнтерологии, гепатологии, колопроктологии 1999. Т. 9. Прилож. 7. С. 5.
4. Афонин Б.В., Носков В.Б., Поляков В.В. Состояние пищеварительной системы в условиях длительного космического полета // Физиология человека. 2003. Т. 29. No 5. С. 53.
5. Афонин Б.В. и др. // Методика накожной электрогастроэнтерографии. Авиакосмическая и экологическая медицина, М., 2003, 4, С. 35-38.
6. Афонин Б.В., Гончарова Н.П., Седова Е.А. // Накожная электрическая активность желудка и кишечника в длительной антиортостатической гипокинезии. Ж. «Физиология человека», 2007, т. 33, No6, С. 1-6.
7. Афонин Б.В., Седова Е.А., Гончарова Н.П., Валуев В.А. // Методика накожной электрогастроэнтерографии в оценке изменений желудочно-кишечного тракта при различных углах и длительности пребывания в антиортостатическом положении. Ж. Авиакосмическая и экологическая медицина, 2007, No 5, С. 24-28.
8. Афонин Б.В. Анализ возможных причин активации экскреторной и инкреторной функции желудка и поджелудочной железы после завершения полетов на Международной космической станции. // Физиология человека, 2013, Т. – 39. No – 5. С. 1–9.
9. Агуреев А.Н., Каландаров С., Васильева В.Ф. Питание экипажей длительных экспедиций на международной космической станции // Авиакосмическая и экологическая медицина 2004, No 5, С. 19-23.

Назад в раздел