На Международной космической станции уже несколько лет проходит эксперимент «Лазма», в ходе которого космонавты с помощью миниатюрных устройств измеряют свой кровоток и окислительный метаболизм тканей. О том, как невесомость меняет микроциркуляцию крови у человека, почему в первые дни полета ноги «отключаются», а голова отекает и как эксперимент помогает в подготовке к дальним миссиям, рассказывают авторы проекта — ученые НТЦ биомедицинской фотоники Орловского госуниверситета им. И.С. Тургенева Андрей Дунаев и Юлия Локтионова.
Справка: Андрей Валерьевич Дунаев — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник (руководитель) Научно-технологического центра биомедицинской фотоники Орловского государственного университета им. И.С. Тургенева, научный руководитель космического эксперимента (целевой работы) «Лазма» («Отработка технологического процесса регистрации параметров микроциркуляторно-тканевых систем в конечностях космонавтов в период острой адаптации к условиям микрогравитации и реадаптации после завершения длительного космического полета», 2022–2027). Юлия Игоревна Локтионова — стажер-исследователь Научно-технологического центра биомедицинской фотоники ОГУ им. И.С. Тургенева, руководитель проекта РНФ №25-25-00546 «Исследование реакции микроциркуляторно-тканевых систем организма космонавтов на воздействие моделируемых неблагоприятных факторов космического полета» (2025–2026).
— В чем уникальность вашего научного эксперимента?
А.В. Дунаев: Эксперимент был начат нами в декабре 2021 г. совместно с Центром подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина ГК «Роскосмос». Мы назвали этот пилотный проект «Лазма» — это аббревиатура от словосочетания «лазерная медицинская аппаратура». Производителем оборудования выступила инновационная российская компания «Лазма». Эксперимент был опробован во время одного из первых коммерческих полетов ГК «Роскосмос» в декабре 2021 г. Среди участников миссии были Герой России космонавт Александр Александрович Мисуркин и два космических туриста: японский бизнесмен Юсаку Маэдзава и его помощник Йозо Хирано. Все дело в том, что ранее нам удалось заинтересовать своей идеей и космонавта Александра Мисуркина, и Юсаку Маэдзава, который впоследствии и стал заказчиком эксперимента. А заинтересовали мы их новизной задачи, ведь с помощью подобных технологий микрогравитацию в реальных условиях еще никогда не исследовали (таких технологий в носимом варианте ранее просто не существовало). При этом методы, заложенные в их основу, были известны давно, и мы, как и многие научные группы в России и за рубежом, занимались их разработкой на протяжении почти 20 лет.
Портативный лазерный анализатор микроциркуляции крови «ЛАЗМА ПФ» в двух модификациях. Фото: Юлия Локтионова / НТЦ биомедицинской фотоники ОГУ им. И.С. Тургенева
— О каких именно технологиях идет речь?
А.В. Дунаев: О технологиях исследования микроциркуляторного русла, базирующихся на методе лазерной доплеровской флоуметрии. Но мы, в свою очередь, добавили сюда еще и метод флуоресцентной спектроскопии, сделав технологию мультимодальной. С ее помощью можно косвенно оценивать интенсивность метаболических процессов в тканях, то есть окислительный метаболизм. По итогам короткой туристической космической миссии, о которой я упоминал выше, были получены очень интересные результаты.
Ю.И. Локтионова: Да, и далее мы совместными усилиями большой команды партнеров смогли заинтересовать НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина, что позволило в 2023 г. продолжить эксперимент официально на борту МКС. Сегодня эксперимент уже включен в основную научную программу МКС, а закончится он в конце 2026 г. вместе с длительной экспедицией МКС-74.
— Как вы получаете информацию о том, что происходит в тканях космонавтов в условиях невесомости?
А.В. Дунаев: Мы зондируем биоткань непрерывным низкоинтенсивным лазерным излучением ближнего инфракрасного диапазона. Регистрируем свет, вышедший из нее и рассеянный от движущихся эритроцитов. По допплеровскому сдвигу, который связан со скоростью движения эритроцитов, регистрируется так называемый медико-биологический параметр — перфузия ткани кровью, или тканевая перфузия. Это своего рода произведение среднего количества эритроцитов на их среднюю скорость движения в заданном диагностическом объеме.
Это абсолютно неинвазивная технология, относящаяся к отдельному научному направлению — биофотонике. Используя один из ее методов под названием «флуоресцентная спектроскопия», мы возбуждаем мягким ультрафиолетом внутреннее свечение в биоткани (в данном случае — кофермента НАДН) и косвенно оцениваем процесс окислительного метаболизма в ней.
Ю.И. Локтионова: Наши устройства похожи на часы или другие небольшие гаджеты: они легкие и компактные, так что доставить их на борт МКС не составляет труда. Кроме того, они умеют передавать данные по Bluetooth и Wi-Fi, что облегчает проведение экспериментов не только на МКС, но и в клинической практике, например в отделениях интенсивной терапии или в операционных.
Александр Мисуркин проводит регистрацию параметров микроциркуляторно-тканевых систем в коже пальцев рук на борту МКС в рамках эксперимента «ЛАЗМА».
Фото: Александр Мисуркин / ТАСС / МКС
— Известно, что у космонавтов на орбите кровь перераспределяется: она приливает к голове, а в ногах кровоток, наоборот, ослабевает. Наблюдали ли вы этот эффект с помощью своих устройств?
А.В. Дунаев: Действительно, с тех пор как люди впервые побывали в космосе, стало понятно, что такое путешествие — далеко не безобидная история. Человеческий организм эволюционировал исключительно в наземных условиях, и он такой, какой есть, потому что человек — прямоходящий.
Пребывание в условиях невесомости поражает практически все подсистемы организма. Страдают мышцы, кости и т.д.
В нашем организме содержится до 60–70% жидкости, и в невесомости вся она стремится перейти из нижней части тела в верхнюю, прежде всего в голову. Этот феномен часто называют «куриными ножками»: нижние конечности космонавтов становятся тонкими, жидкость уходит вверх, лицо отекает.
Изучить описанные выше процессы и стало целью нашего эксперимента. Мы хотели посмотреть, что происходит на уровне периферии сердечно-сосудистой системы, в микроциркуляторном звене в разных регионах тела. Устройств у нас два, и сначала мы крепили их попарно в четырех зонах — на висках, на средних пальцах рук, предплечьях и на больших пальцах стоп. Но со временем, от первого эксперимента до нынешних длительных миссий, схема изменилась, и сейчас мы измеряем показатели в трех зонах: на лбу, пальцах рук и стоп. Нас интересует, как в этих зонах происходит перестройка микроциркуляторно-тканевых систем организма космонавтов.
— Какие еще интересные явления вы наблюдали?
А.В. Дунаев: В первую очередь — эффект дисбаланса. На вторые-четвертые сутки полета перфузия (интенсивность кровотока) в стопах резко уменьшается, а в голове увеличивается. Уникальность нашей технологии в том, что мы анализируем ритмы этой перфузии или осцилляции — колебательные процессы в микроциркуляторном русле. Это позволяет понять, как именно происходят перестройка и регуляция в организме, и это, на мой взгляд, один из самых интересных вопросов из области космической медицины.
В космосе организм сразу понимает, что в стопах появилась проблема, а значит, должен включиться другой механизм их питания, позволяющий задерживать кровоток.
Кровоток делится на нутритивный (через капилляры, где происходит отдача кислорода окружающим тканям) и шунтовой (кровь идет в обход капилляров в венозное русло). В голове, как уже говорилось, мы наблюдаем слишком большой прилив крови, и значит, организму нужно как-то его ограничивать.
Ю.И. Локтионова: Таким образом, мы пытаемся понять, как происходит эта перерегулировка, как организм спасает ситуацию. Благодаря тому, что мы исследуем региональные особенности, мы видим, что руки, например, регулируются иначе, чем ноги и голова. С руками проще всего: они занимают центральное положение и постоянно двигаются. Поэтому и изменения там минимальны по сравнению с головой и ногами. В ногах же в первые двое-трое суток мы видим значительное снижение перфузии. Это естественно, потому что жидкость уходит в голову. Затем мы отмечаем ее увеличение.
В норме на Земле кровоток регулируют множество механизмов: пульсовая волна (зависит от сердцебиения), дыхание (влияет на колебания сосудов, регулируя венозный отток), местные механизмы регуляции (работа эндотелия, вегетативная нервная система, прекапиллярные сфинктеры — мышечный компонент сосудов). Все эти механизмы работают совокупно и обеспечивают питание клеток и тканей.
В невесомости же мы отмечаем, что уже примерно на шестые-седьмые сутки кровоток в ногах (по общему уровню интенсивности) восстанавливается, а иногда становится даже более интенсивным, чем был на Земле. Это называется компенсаторным эффектом.
Примечательно, что он реализуется не за счет включения всех регуляторных механизмов, а из-за увеличения притока артериальной крови. Такое ощущение, что организм пытается подобрать новый режим работы и это занимает длительное время. В итоге самочувствие космонавтов улучшается, но регуляция в невесомости, как мы видим, немного отличается от земной.
Мы отмечаем, что в голове процессы адаптации происходят быстрее.
Мы измеряем область над бровями: бассейн надглазничной артерии, который кровоснабжается из бассейна внутренней сонной артерии. Мы очень осторожно предполагаем, что есть некая корреляция этой зоны с тем, как происходит кровоснабжение мозга.
Олег Новицкий выполняет целевую работу «ЛАЗМА» на борту МКС. На фото: расположение приборов для регистрации параметров микроциркуляции крови и окислительного метаболизма биоткани в коже лба. Фото: Олег Новицкий / ГК «Роскосмос»
Поскольку мозг — это важнейший орган, организм в первую очередь пытается спасти именно его, поэтому и процессы адаптации там протекают быстрее.
А.В. Дунаев: Добавлю, что раньше в условиях реального космического полета такие исследования были невозможны: в медицине применялись громоздкие стационарные установки с волокнами, которые требовали крепления к коже, — организационно и технологически это было крайне сложно выполнить. Теперь же российская компания создала носимые устройства, а мы разработали методики их применения при различных патологиях. В итоге мы получили уникальные данные в условиях реальной микрогравитации.
— Наверное, на Земле получить такие данные было бы невозможно даже на специальных тренажерах, ведь адаптация в реальном полете протекает иначе. Удивительно, что вы буквально в режиме реального времени наблюдаете, что происходит с человеческим организмом в космосе!
А.В. Дунаев: Так и есть.
Ю.И. Локтионова: Да, на Земле, конечно, моделируются отдельные факторы космического полета, но в космосе они действуют в совокупности, и это уже совсем другое влияние на организм. Есть много научных работ по воздействию отдельных факторов, моделирующих невесомость, но данные действительно не всегда совпадают с реальным полетом.
Что касается тренажеров и подготовки космонавтов, это отдельное направление наших космических исследований совместно с НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина. Космонавты ежегодно проходят медицинское освидетельствование, что предполагает в том числе тренировки на центрифуге. Наверное, многие видели в интернете центрифугу диаметром 18 м, моделирующую перегрузки 4–8 G и больше. Космонавты также проходят тренировки в барокамере, где моделируется подъем на высоту до 10 км с изменением газового состава и давления. Есть еще ортостол — поворотная кушетка, которая может наклонить человека вниз головой или вниз ногами, моделируя физиологические эффекты невесомости (переливание жидкости), и стул, вращающийся вокруг своей оси. Некоторые из этих тренажеров мы даже тестировали на себе: ощущения — на любителя. Все эти установки моделируют влияние отдельных или нескольких факторов космического полета в условиях земной гравитации, и эти же факторы отслеживаем и мы в ходе уже реального космического полета. Мы оцениваем влияние до полета, во время и после него, измеряем, как организм адаптируется, изучаем индивидуальные реакции.
Космонавты — высокотренированные люди, и у нас есть гипотеза, которая уже находит свое подтверждение, что чем больше организм тренирован и приспособлен, тем лучше он чувствует свои потребности при воздействии внешних факторов. Регуляторные механизмы запускают индивидуальную реакцию благодаря развитой чувствительности.
— То есть хорошая натренированность ведет к более эффективной адаптации?
А.В. Дунаев: Конечно. Кстати, именно эти вопросы легли в основу кандидатской диссертации Юлии Игоревны. Мы стараемся увидеть и понять тонкие эффекты, чтобы помочь врачам, занимающимся подготовкой космонавтов. Для них это абсолютно новая диагностическая информация, которая раньше была недоступна. Первые результаты обнадеживают, и мы очень надеемся, что наши наработки будут полезны не только медикам, но и самим космонавтам.
— Какие дни самые сложные на орбите?
А.В. Дунаев: Наши данные подтвердили известный факт космической медицины: самые тяжелые для организма — первые трое суток. Это видно и по микроциркуляции крови. Примечательно, что разная продолжительность полета по-разному сказывается на космонавтах. Мы сравнивали две короткие миссии и сейчас завершаем третью, длительную миссию, то есть всего у нас их пять. На основе данных миссий и были сделаны такие выводы.
— А какое путешествие опаснее: длительное или короткое?
А.В. Дунаев: Пока не можем утверждать однозначно. Это зависит от индивидуальной реакции организма. Необходимо сравнивать разные показатели, чем мы сейчас и занимаемся.
Международная космическая станция. Фото: archangel80889 / 123RF
— Сколько месяцев или лет, на ваш взгляд, человеческий организм может выдержать в космосе?
А.В. Дунаев: Вы, наверное, вспомнили Илона Маска и его мечту полететь на Марс (смеется). Безусловно, мы надеемся, что наша страна тоже будет успешна в этой марсианской гонке. Сейчас считается, что полет до Марса займет от девяти месяцев до одного года. Как поведет себя человеческий организм в условиях столь длительной миссии, мы точно не знаем. Понятно, что есть профилактические меры, спорт, дополнительные приборы и устройства, помогающие адаптироваться, но вопрос однозначно требует дальнейших исследований. Но одно я могу сказать точно: наши носимые устройства будут очень полезны в таком путешествии. Такие приборы смогут увидеть появление проблемы еще на ранних стадиях, а цель любой медицинской диагностики — забить тревогу как можно раньше.
Ю.И. Локтионова: Уже сейчас мы видим, что реакция организма на невесомость влияет на то, как он потом будет реадаптироваться к земной гравитации. Это своеобразный предиктор скорости и качества адаптации после полета. Так что, получив данные по микроциркуляции крови, можно заранее спрогнозировать, как будет протекать период адаптации к Земле после полета, и тем самым помочь космонавтам его пройти.
— Вы так подробно описываете физиологические процессы, что невольно задаешься вопросом: наверное, вы сами медики? Но, насколько я знаю, вы, Андрей Валерьевич — доктор технических наук, а Юлия Игоревна — будущий кандидат технических наук. Как же вам удается так глубоко разбираться в медицине?
А.В. Дунаев: Мы представители научной специальности «Приборы, системы и изделия медицинского назначения» — это чистая биомедицинская инженерия, медицинское приборостроение. Нас часто называют «переводчиками» между физиками/инженерами и медиками. Чтобы понимать врача, нужно говорить на его языке, и на это уходят годы. Объект нашего исследования — человеческий организм, то есть биологический объект, и мы обязаны знать его анатомию и физиологию. Так что в программу обучения изначально заложены медицинские и биологические предметы. Это и есть классическая междисциплинарность.
Ю.И. Локтионова: Нам очень интересно погружаться в разные области знания и находить взаимосвязи между ними.
А.В. Дунаев: Считается, что будущее науки — за кросс-дисциплинарными исследованиями, и действительно, мы видим, что самые громкие открытия случаются именно на стыке наук.
— Помимо описанных выше показателей космонавтов, что еще вам хотелось бы научиться измерять в будущем?
А.В. Дунаев: Таких параметров в избытке, и многие из них уже успешно измеряются учеными. Мы же занимаемся лишь одним из направлений: изучением микроциркуляторно-тканевой системы организма космонавтов. Лазерная доплеровская флоуметрия дает нам картину того, как кислород приносится с кровью к тканям, а флуоресцентная спектроскопия показывает, как ткани этим кислородом распоряжаются. Это системный взгляд на отдельно взятую подсистему организма.
Ю.И. Локтионова: Разумеется, параллельно регистрируются и ЭКГ, и электроэнцефалография, и многие другие показатели — без этого сейчас никуда.
— А есть ли какой-то «священный Грааль» в вашей области знания?
А.В. Дунаев: Думаю, это мозг. Все хотят его исследовать. Это, конечно, касается не только космоса, но и наземных условий.
— Что конкретно исследовать?
А.В. Дунаев: Да вообще все. Не думайте, что мозг уже изучен. В космосе, например, возникают специфические психоэмоциональные эффекты, может изменяться зрение и т.д.
Ю.И. Локтионова: Есть еще и чисто психологические моменты: ограниченное пространство, постоянный шум, изоляция, депривация, командное взаимодействие. Именно поэтому команду космонавтов специально подбирают таким образом, чтобы люди могли долго находиться друг с другом в замкнутом пространстве. Перед полетом все это активно моделируется на Земле.
А.В. Дунаев: Кстати, третья наша ипостась в космической медицине — изоляционный эксперимент «Сириус», который неоднократно проводился в ИМБП РАН. Последняя миссия закончилась в ноябре 2024 г., и мы активно участвовали в ней, используя те же технологии, о которых идет речь в этом интервью.
Ю.И. Локтионова: Вместе с коллегами мы изучали, как длительная изоляция влияет на психоэмоциональное состояние экипажа. Шестеро человек провели год в наземном модуле, имитирующем космический корабль, — отрабатывался полет к Луне. Условия были максимально приближены к реальным: полная сенсорная депривация (без солнечного света и ощутимой смены дня и ночи), обедненная внешняя среда, гиподинамия (тренировки поддерживают форму, но двигаются люди все же меньше в бытовом плане) и ограниченное пространство — модуль в точности повторяет размеры настоящего корабля. Мы вели наблюдения на протяжении всего года. Раньше подобные эксперименты ограничивались четырьмя-восемью месяцами, но теперь речь идет о более длительных программах.
А.В. Дунаев: И сейчас мы отчетливо видим, как совокупность всех приведенных факторов влияет на организм. Благодаря анализу осцилляций — колебательных процессов — мы выходим на миогенные ритмы. Именно они, словно ключи (через прекапиллярные сфинктеры), регулируют ток крови: направляют ее либо в капилляры, либо в шунты. У нас уже есть опубликованная работа, где было показано: через эти ритмы можно отслеживать стресс и адаптационные изменения организма.
Стресс всегда оставляет след в микроциркуляторном русле.
— Как именно это можно увидеть?
А.В. Дунаев: Через вегетативную нервную систему. Стресс дает отклик в одном из пяти компонентов осцилляций тканевой перфузии: через миогенные колебания. В момент стресса тканям нужен кислород, и за счет вазомоторного механизма регуляции кровь идет больше по капиллярам и меньше по шунтам. Все это можно зарегистрировать.
Андрей Дунаев и Юлия Локтионова в студии портала «Научная Россия». Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
— Помимо космических исследований, в вашем НТЦ сейчас реализуется новый мегагрант. В чем его суть?
А.В. Дунаев: Это другое, не менее интересное направление, связанное с проблемами нейродегенерации. Вообще, в нашем НТЦ на текущий момент выполнено уже более 20 различных проектов, поддержанных как Российским научным фондом, так и рядом других. Прямо сейчас идут пять проектов РНФ по разным темам: от клеточной биологии до космической медицины. А мегагрант уже второй по счету, что, кстати, уникально для регионального вуза. Первый мегагрант мы реализовали с 2019 по 2023 г., а с 2024 г. начали работу над вторым. Этим мегагрантом, как и первым, руководит доктор биологических наук Андрей Юрьевич Абрамов из Королевского колледжа Лондона, известный специалист в области нейробиологии и клеточной биологии. Тема второго мегагранта, как и первого, связана, как я уже сказал, с проблемой нейродегенерации: мы исследуем механизмы, предшествующие развитию болезней Альцгеймера и Паркинсона. Но если первый проект был скорее разведывательным, то второй сфокусирован на конкретной молекуле — неорганическом полифосфате. Это очень древняя молекула, и мы пытаемся понять ее роль и место в этих патологических процессах.
Главная идея — соединить технологии биофотоники, то есть оптические методы, которые мы применяем на лабораторных животных и в клинике, с глубоким изучением клеточной биологии. Клеточный уровень позволяет нам подтверждать механизмы, видеть те же феномены флуоресценции, но уже на клеточном уровне.
Ю.И. Локтионова: В нашей команде в НТЦ более 30 человек, и каждый находит себе дело по душе: от фундаментальной клеточной биологии до прикладных медицинских разработок. Получается уникальная для страны (и уж точно — для Орла) междисциплинарная структура: мы смотрим, как все работает на клетках, потом проверяем на модельных животных и в итоге приходим к человеку.
— Вопрос к вам обоим: о чем вы мечтаете? Может быть, хотели бы и сами когда-нибудь выбраться за пределы Земли?
А.В. Дунаев: Вопрос, наверное, больше актуален для Юлии. В силу возраста она еще может успеть побывать в космосе!
Ю.И. Локтионова: Кто же не мечтает там побывать! Кстати, сейчас открыт набор в космонавты. Но пока это только мечты. Раньше в космос путешествовали в основном военные летчики, а сейчас это могут сделать люди самых разных профессий: можно, например, отправиться туда в качестве космических туристов, а можно стать космическим ученым и полететь самостоятельно. Есть и другой вариант: развивать здесь, на Земле, медицинские космические технологии.
— А в плане научных исследований? К чему вы стремитесь?
Ю.И. Локтионова: Пока что моя ближайшая цель — защитить кандидатскую диссертацию.
А.В. Дунаев: У меня много разных целей. Я очень хочу, чтобы наш НТЦ окончательно утвердился как центр притяжения ученых в регионе, чтобы на карте науки России была точка, куда могут приезжать студенты для получения качественного образования в области биомедицинских технологий. Важно, чтобы люди могли найти себя в самых разных областях: от биотехнологии и биологии до биомедицинской инженерии. Сейчас мы работаем над открытием новой специальности — «Медицинская кибернетика». Планируем организовать первый набор в сентябре 2027 г. Это профессия будущего!
Такая специальность — большая редкость: по сути, это врач-кибернетик, работающий на стыке инженерии, IT и медицины; специалист с уникальным кругозором и компетенциями.
Очень надеюсь, что нам удастся успешно реализовать такое направление в Орле. Ну и, конечно, хочется новых проектов, но прежде всего — реального внедрения наших технологий в медицину. Уверен, наши наработки будут востребованы и для Российской орбитальной станции, запуск которой запланирован на 2030 г.
