Агуреев А.Н., Афонин Б.В. Средства и методы подготовки космонавтов к проведению исследований состояния системы пищеварения на РС МКС. Материалы XLIII Общественно-научных чтений, посвященных памяти Ю.А. Гагарина, г. Гагарин, 2016. С.239-260.

Авторы: Агуреев А.Н. / Афонин Б.В.

Средства и методы подготовки космонавтов к проведению исследований состояния системы пищеварения на РС МКС

Комплексное воздействие факторов космического полета (КП) может сопровождаться определенными сдвигами обменных процессов, пищеварения, изменениями аппетита и общей реактивности организма человека [1,2,3]. Исследования метаболизма и изучение функциональных изменений в организме, выполненные в процессе реальных космических полетов различной продолжительности (от нескольких до 438 суток), а также в наземных экспериментах, моделирующих воздействие некоторых факторов космического полета на организм человека (длительный постельный режим, антиортостатическая гипокинезия (АНОГ) длительностью до года, водная иммерсия, длительное пребывание в условиях гермообъекта ограниченного пространства) позволили установить характерные изменения в организме человека:

• снижение основного обмена;
• отрицательный азотистый баланс;
• снижение мышечного тонуса;
• уменьшение мышечной массы, изменение структуры мышц;
• изменения в костной ткани, появление условий для развития остеопороза;
• нарушения углеводного обмена вплоть до появления диабетоподобных кривых при глюкозотолерантном тесте;
• изменения жирового обмена с отложением жира в подкожной клетчатке;
• изменения водно-солевого обмена, характеризующиеся потерей кальция, калия, магния;
• нарушения сосудистого тонуса с появлением ортостатической неустойчивости;
• изменения механизмов гормональной регуляции, среди которых следует выделить увеличение в крови инсулина, С-пептида, перераспределение соотношения половых гормонов;
• перестройка функциональной активности пищеварительной системы (развитие гиперсекреторного состояния желудка, дисфункция желчевыделительной системы, замедление эвакуаторной активности кишечника, развитие дисбактериоза кишечника и др).

В качестве мер профилактики указанных сдвигов является оптимальное обеспечение организма незаменимыми пищевыми веществами и энергией [4,5]. Рационально построенная система обеспечения питанием (СОП) в сочетании с другими системами жизнеобеспечения космического аппарата способствует сохранению здоровья и поддержанию у космонавтов необходимого уровня жизнедеятельности [6,7]. Адекватное потребностям организма питание при выполнении профессиональной деятельности в экстремальных ситуациях является необходимым условием для повышения устойчивости организма к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды и в значительной степени определяется количественным и качественным составом поступающей пищи и состоянием системы пищеварения. С учетом технических возможностей космических аппаратов питание в условиях космического полета осуществляется готовыми к употреблению, стабилизированными различными способами продуктами относительно небольшого ассортимента. Кулинарная обработка пищи в условиях космического полета заключается лишь в подогреве консервированных блюд и в восстановлении обезвоженных продуктов холодной или горячей водой [7,8]. Длительное использование таких продуктов наряду с эффектами невесомости предполагает напряжение пищеварительной системы, которое может быть причиной дисфункции органов желудочно-кишечного тракта, печени, поджелудочной железы.

До настоящего времени исследования состояния системы пищеварения проводились в наземных модельных экспериментах с участием испытателей-добровольцев, а у космонавтов эти исследования выполнялись в периоде предполетной подготовки и после завершения полета [9,10]. Проведение этих исследований в условиях реального космического полета самим космонавтом является новым этапом в изучении состояния органов пищеварительной системы в условиях невесомости и выявлении роли воздействия возникающих изменений на пищевой статус организма. Для исследования особенностей 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" предназначен для выполнения российскими экипажами на МКС в условиях невесомости исследований состояния пищеварительной системы, включающих определение в капиллярной крови из пальца биохимических показателей, накожную гастроэнтерографию (ЭГЭГ), ультразвуковые исследования (УЗИ) внутренних органов и магистральных сосудов в брюшной полости, а также допплерографические исследования в них кровотока. В настоящее время на МКС идет реализация первого этапа КЭ "Спланх", в рамках которого проводятся исследования электрической активности желудочно-кишечного тракта [11,12,13]. Описание КЭ, проведенное членами экипажа МКС-38 представлено на сайтах www.imbp.ru, www.gastroscan.ru. ЭГЭГ подкрепляется определением в капиллярной крови из пальца на бортовом анализаторе "Рефлоткрон-4" биохимических показателей, характеризующих состояние различных органов пищеварительной системы. Исследование электрической активности (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. Для проведения ЭГЭГ в условиях КП в ГНЦ РФ ИМБП РАН совместно с НПП "Исток-Система" РФ был разработан и создан бортовой гастроэнтерограф "Спланхограф" (рис. 1). Запись ЭГЭГ при выполнении КЭ "Спланх" проводится на MicroSD-карту памяти, расположенную рядом с блоком питания прибора, состоящим из 2-х источников питания типа ААА (рис. 2).

Устройство съема информации позволяет подключиться к 5 электродам (один 0) и снимать электрическую активность в 2-х отведениях (рис. 3). Накожные хлорсеребряные ЭКГ электроды располагаются так, что позволяют проводить запись ЭГЭГ в двух взаимно перпендикулярных отведениях (рис. 4). Такое расположение отведений, кроме дублирования электрической активности ЖКТ, позволяет выявить смещение в организме вектора распространения электрических сигналов от основных отделов ЖКТ, связанное с изменением в невесомости их расположения в брюшной полости. При проведении записи ЭГЭГ гастроэнтерограф помещается в чехол-портупею и размещается на поясе, что позволяет использовать его в любых условиях, в том числе для изучения в перспективе суточных ритмов электрической активности ЖКТ.

Интерфейс гастроэнтерографа имеет монитор и клавиатуру для ввода информации с клавишами двойного назначения (рис. 5). Во время записи ЭГЭГ можно отмечать начало и конец таких событий как прием пищи, лекарства, боль, изжогу, тошноту, голод, туалет, положение лежа, сон, а для непредусмотренных событий клавиша "Сигнал". Запись ЭГЭГ может проходить в 2-х режимах – в течение 2-х и 24-х часов. Остановка записи осуществляется в любое время через клавишу «Стоп».

Запись исходной ЭА ЖКТ – фоновая ЭГЭГ начинается утром, натощак перед завтраком. Продолжается во время завтрака для оценки реакции на прием пищи. Далее ЭГЭГ записывается в течение 2,5 часов после окончания приема пищи для исследования динамики ее пассажа по ЖКТ. Гастроэнтерограф записывает гастроэнтерограмму на MicroSD-карту памяти (рис. 6). Карта имеет незначительные размеры, поэтому для исключения ее потери на МКС она прикреплена фалом к картонной бирке. После окончания записи ЭГЭГ карта памяти извлекается из гастроэнтерографа и помещается в контейнер и специальную укладку "Спланх 1.Данные" (рис. 7), в которой хранится до следующего сеанса, а также возвращается после окончания каждой экспедиции на Землю. Для каждого КЭ поставляется отдельная карта памяти в укладке "Спланх 1.Данные".

После каждого сеанса КЭ файлы с записью ЭГЭГ по каналам связи передаются через бортовой компьютер на Землю для контроля постановщиком эксперимента полноты выполнения исследований. Для переброски этих файлов в компьютер в укладке имеются 2 USB-переходника (рис. 8).

Бортовой гастроэнтерограф хранится в укладке "Спланх 1.Прибор" (рис. 9), в которой имеются карманы для спланхографа, кабеля УСИ, чехла и портупеи и 2-х USB-переходников для связи с компьютером (рис. 8).

Для комплекта расходных материалов (салфетки, электроды, элементы питания) создана отдельная укладка "Спланх 1.КРМ" (рис. 10). Укладка формируется для каждой отдельной экспедиции и содержит элементы питания (2-е батарейки ААА) салфетки, электроды для проведения 4-х сеансов КЭ "Спланх".

Исследование ЭА ЖКТ в КЭ "Спланх" дополнены определением натощак биохимических показателей, характеризующих состояние пищеварительной системы (билирубин, глюкоза, печеночных ферментов АсАт, АлАТ, ГГТ, панкреатической амилазы, мочевой кислоты). Эти исследования проводятся на бортовом биохимическом анализаторе Рефлотрон-4 (рис. 11). В КЭ "Спланх" к этим традиционным биохимическим исследованиям натощак, дополнительно через 2 часа после завтрака определяется билирубин и глюкоза с целью выявления после стандартной пищевой нагрузки возможных изменений в состоянии углеводного обмена и детоксикационной функции печени.

Для оценки функционального состояния основных отделов ЖКТ используется разработанная в НПП "Исток-Система" компьютерная программа анализа гастроэнтерограммы в частотных спектрах специфичных для желудка, двенадцатиперстной, тощей, подвздошной кишки, толстого кишечника (рис. 12). Обработка ЭГЭГ проводится постановщиками эксперимента после возвращения карты памяти с файлами ЭГЭГ на Землю. Такой подход упрощает предполетное обучение космонавтов и в дальнейшем выполнение ими методики КЭ "Спланх" во время полета на РС МКС.

В предполетной подготовке достаточно 2-х тренировочных занятий для обучения проведения гастроэнтерографии с использованием "Спланхографа" (рис. 13). Работа на бортовом биохимическом анализаторе, который является штатным средством диагностики, входит в специальную подготовку космонавтов. В рамках подготовки к эксперименту на 2-м занятии проводится запись предполетной ЭГЭГ и дополнительное обучение космонавтов определению показателей на биохимическом анализаторе Рефлотрон-4 по методике "Спланх 1".

Сеансы эксперимента "Спланх" проводятся через 3 и 5 месяцев пребывания на МКС. За 2 дня до начала очередного сеанса КЭ космонавту направляется радиограмма о проведении подготовки к выполнению эксперимента. Накануне вечером с мест хранения извлекаются укладки, и проверяется наличие расходных материалов для проведения ЭГЭГ. Для проведения биохимических исследований подготавливаются автоскарификатор для прокола кожи пальца, пипетка для переноса крови, тубы рефлотрона с определительными пластинами. Космонавт выполняет проверку работоспособности гастроэнтерографа и биохимического анализатора (рис. 14, 15).

Накануне дня проведения КЭ космонавт получает радиограмму о проведении эксперимента. Проведение КЭ "Спланх 1" начинается утром до завтрака. Космонавт наклеивает электроды, подключает гастроэнтерограф и включает его на запись (рис. 16). На фоне записи ЭГЭГ натощак выполняет биохимические исследования в капиллярной крови из пальца (рис. 17).

Биохимические исследования с одновременной записью ЭГЭГ продолжаются до завтрака. Далее запись ЭГЭГ в автономном режиме продолжается во время завтрака и в течение 2-х часов после окончания приема пищи для оценки реакции на прием пищи и пассажа ее по ЖКТ. Запись ЭГЭГ через 2 часа после приема пищи подкрепляется повторным определением 2-х показателей – глюкозы и билирубина, с последующим выключением гастроэнтерографа (рис. 18). По завершению КЭ проводится сброс файлов гастроэнтерограмм и таблицы с результатами биохимических исследований по каналам связи с МКС для контроля полноты выполнения исследований постановщиком эксперимента.

Надежность созданного оборудования, простота его эксплуатации и высокий уровень предполетной подготовки космонавтов позволили успешно проводить исследования по программе КЭ "Спланх" на борту РС МКС. В настоящее время проведено 10 сеансов эксперимента, впервые получены уникальные данные об изменениях и особенностях состояния электрической активности основных отделов ЖКТ в невесомости. Выполнены исследования по программе эксперимента "Спланх 1" Михаилом Корниенко в сверхдлительном годовом КП.

Получены уникальные данные, количественно характеризующие особенности ЭГЭГ, отличающие ее от тех, что имеют место в модельных экспериментах [11,12,13]. В отличие от наземных экспериментов, моделирующих невесомость, у космонавтов отмечалось снижение электрической активности всех отделов ЖКТ натощак, как амплитуды, так и мощности электрического сигнала (рис. 19, 20). Это снижение доходило до 35% 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 (рис. 21).

Прежде всего, следовало предположить, что причина снижения ЭА могла быть связана с увеличением сопротивления кожных покровов, так как гигиена космонавтов состоит, преимущественно, в обтирании тела влажными салфетками. Космонавтам, начиная с 38 экспедиции, было рекомендовано более тщательно протирать кожу в местах прикрепления электродов. Результаты, полученные в последующих сеансах, показали аналогичную картину снижения электрической активности. Выявленная в невесомости особенность, указывающая на снижение электрической активности, в той или иной степени имела место во всех полетах.

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 [14,15,16]. При этом исходно более высокие значения в одном отведении, сменяются относительно низкими значениями, ранее наблюдавшимися 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. 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" проводится в 2-х отведениях, расположенных перпендикулярно друг к другу. Предварительный 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 увеличением в противоположном, что указывало на изменение вектора распространения электрического сигнала, по-видимому, связанное с изменением расположения отделов ЖКТ в условиях невесомости. Выявленная особенность с инверсией доминирующего отведения была более характерна для электрической активности желудка, тощей кишки и толстого кишечника, расположение которых в брюшной полости в невесомости, по-видимому, изменяется. Снижение происходило как в 1-м, так и во 2-м отведении, но более выражено во 2-м. В целом снижение электрической активности всех отделов ЖКТ и особенно кишечника не было связано с инверсией доминирующего отведения, что предполагало другой механизм, связанный с отсутствием веса пищи и химуса как ее производного в желудке и кишечнике.

Анализ результатов эксперимента показывает, что в условиях невесомости наблюдается снижение электрической активности во всех отделах ЖКТ, которое может быть вызвано отсутствием веса находящегося в них пищевого химуса. Выявленная особенность связана с тем, что пища в условиях пребывания на МКС не имеет веса. Ее продвижения 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. Имеющийся в настоящее время объём 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.

Более углубленные исследования в этом направлении будут продолжены во 2- и 3-й сериях КЭ "Спланх".

Работа выполнена по Плану Фундаментальных исследований ГНЦ РФ–ИМБП РАН (тема №64.2) и теме Надежность-Наука ИМБП по договору № 16-1313-2013)-113/133-2014, п. 2.2.3 ТЗ от 29.07.2014 г.


Литература:

1. Григорьев А.И., Козыревская Г.И., Наточин Ю.В. // В кн.: “Космические полеты на кораблях “Союз”, М., Наука, 1976, с. 266-303.
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. Смирнов К.В., Уголев А.М. // “Космическая гастроэнтерология”, М., Наука, 1981, 277 с.
4. Бычков В.П., Каландаров С., Агуреев А.Н. Питание экипажей орбитальной станции «Салют-7» // “Космическая биология и авиакосмическая медицина”, 4, 1989, с. 9-14.
5. Агуреев А.Н., Бычков В.П., Каландаров С. и др. Физиолого-гигиеническая оценка рационов питания орбитальной станции «Мир» // Авиакосмическая и экологическая медицина, 5, 1994, с. 8-12.
6. Бычков В.П. // “Проблемы космической биологии”, том 42, М., Наука, 1980, с. 214-264.
7. Агуреев А.Н., Каландаров С. “Обеспечение питания экипажей на ОС “Мир” // В кн.: Орбитальная станция “Мир” (Космическая биология и медицина). М., 2001, т. 1, с. 455-481.
8. Агуреев А.Н., Каландаров С., Васильева В.Ф. Питание экипажей длительных экспедиций на международной космической станции // Авиакосмическая и экологическая медицина 2004, № 5, С.19-23.19.
9. Афонин Б.В и др. // Состояние органов пищеварительной системы в условиях длительного космического полета. Физиология человека. М., 2003, т. 29, №5, С. 53-57.
10. 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. № – 5. С. 1–9.
11. Афонин Б.В. и др. // Методика накожной электрогастроэнтерографии. Авиакосмическая и экологическая медицина, М., 2003, 4, С. 35-38.
12. 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, №6, С. 1-6.
13. 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, № 5, С. 24-28.
14. Ито З., Секигучи Т. "Межпищеварительная моторная активность" в монографии под ред. Полак Д.М., Блума С.П., Райта Н.А., Батлера А.Г. М., Медицина, 1989, С. 145-164.
15. Лебедев Н.Н., Трусов А.Н., Попова Ю.П. и др. Широкополосная многоканальная электрогастрография и периодическая моторика желудочно-кишечного тракта // Физиология человека. 1991, т. 17, №4, С. 54-56.
16. Тропская Н.С., Васильев В.А., Попова Т.С., Ишмухаметов А.И., Азаров Я.Б. Теоретические предпосылки и экспериментальное обоснование использования электрогастроэнтерографии // Российский журнал гастроэнтерологии, гепатологии и колопроктологии. 2005 г. №5, С. 82-88.

Назад в раздел