Космическое питание призвано бороться с окислительным стрессом

IV Конференция «Питание в космосе: наука, инновации, перспективы», посвящённая 65-летию полета Ю.А. Гагарина, прошла сегодня в Федеральном исследовательском центре питания, биотехнологии и безопасности пищи. Ведущие российские ученые обсудили инновации в области космического питания, в том числе, с перспективой межпланетных полетов на Марс, внедрение технологий искусственного интеллекта в отрасль космического питания и в космическую медицину, проблемные вопросы и новые вызовы в данной отрасли науки.

Окислительный стресс в космическом полете и профилактика негативных последствий на организм космонавтов — один из вызовов, который стоит перед современными учеными. Какие угрозы таит в себе космос и как им противостоять, поясняет в этом материале научный сотрудник лаборатории возрастной нутрициологии «ФИЦ питания и биотехнологии» Марина Гурченкова.

В космическом полете микрогравитация, радиация и замкнутое пространство за тысячи километров от Земли представляют опасность для здоровья космонавтов и вызывают множество физиологических изменений и психологических нарушений. Изменения касаются практических всех систем организма. Страдают костно-мышечная, нервная, иммуная, сердечно-сосудистая системы. Опасности подвергается генетический аппарат клеток. Страдает ментальное здоровье, а также микробиом космонавтов. Все это - последствия окислительного стресса.

Как известно, в космосе радиация представляет самую грозную опасность, особенно для дальних космических полетов, например на Луну и Марс. Так, дозы радиации на космической станции в 200 раз больше, чем при среднем наземном фоне облучения человека в обычных земных условиях. За год полета на Международной космической станции космонавт получает дозу, в 10 раз превышающую норму радиационной безопасности для работника атомной промышленности.

Согласно нормативам, предельная доза за карьеру космонавта — 1000 мЗв. Для примера, за полгода на Луне уровень полученной радиации достигнет 250 мЗв. Столько же получают члены экипажа на МКС в течение годового полета. А расчетная доза радиации за весь полет на Марс и пребывание там составит более 1 Зв, что превысит нормируемое значение радиации за всю карьеру космонавта. Таким образом, выход за пределы геомагнитного поля Земли будет сопровождаться существенным увеличением радиационной нагрузки. При этом глобальную дозу облучения для космонавтов также вносят галактические космические лучи (ГКЛ), исходящие из-за пределов Солнечной системы от взрывов Сверхновых, которые вызывают глубокие повреждения биологических тканей и требуют специальных методов защиты. А также радиационные пояса Земли (пояс Ван-Аллена) и высокоинтенсивные солнечные протонные события (СПС), во время которых космонавты могут дополнительно подвергаться воздействию чрезвычайно высокой поглощенной дозы радиации (до 1 Гр или более), что может привести к острой лучевой болезни (ОЛБ).

Воздействие ионизирующего излучения и невесомости во время космических полетов способствует усилению окислительного стресса, который вызывается избыточной выработкой активных форм кислорода (АФК) в организме, особенно после длительного пребывания в космосе. Эффект сохраняется в течение нескольких недель после приземления.

Как известно, избыток АФК обладает способностью повреждать липиды мембран, белки и ДНК, что приводит к митохондриальному стрессу с последующим апоптозом и гибелью клеток. Окислительный стресс нарушает регулирование ряда клеточных функций и приводит различным патологическим состояниям, таким как ускоренное старение, катаракта, диабет, нейродегенеративные заболевания, в том числе болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и другие. Окислительное повреждение способствует изменениям в работе нейромедиаторов, вызывая нейродегенерацию, и, как следствие, психические расстройства и деменцию. Повышенная выработка АФК и фермента NADPH-оксидазы (NOX) приводит к эндотелиальной дисфункции и способствует некрозу миокарда. Высокие уровни АФК могут повреждать гепатоциты, приводя к неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП). Нарушение регуляции выработки АФК вызывает снижение реакции лимфоцитов, ухудшение фагоцитоза и повышение восприимчивости к скрытым инфекциям, таким как вирус простого герпеса (ВПГ). Космическое излучение повреждает скелетные липиды и повышает активность Nrf2 — редокс-чувствительного транскрипционного фактора, регулирующего антиоксидантную защиту. Это увеличивает резорбцию костей и остеокластогенез. Невесомость и радиация могут вызывать разрушение эритроцитов, в результате чего высвобождается железо, которое затем действует как кофактор при избыточной выработке АФК, ускоряя окислительное повреждение, и в конечном итоге, вызывая атрофию мышц.

Избыточная выработка АФК может привести к значительным изменениям в составе и функциях кишечной микробиоты, что, в свою очередь, может иметь последствия для общего состояния здоровья кишечника и развития различных заболеваний. 

Так, накопление АФК может приводить:

- к изменениям в микробном составе (увеличению количества потенциально вредных бактерий и уменьшению количества полезных комменсальных микробов);

- к нарушению барьерной функции кишечника, вызывая иммунные реакции и воспаление;

- к изменению микробного метаболизма, например уменьшению выработки короткоцепочечных жирных кислот (КЖК), нейротрансмиттеров;

- нарушения в оси «кишечник-мозг» за счет изменения выработки нейротрансмиттеров и передачи сигналов потенциально способствуют развитию расстройств настроения и когнитивной дисфункции.

Все это в конечном итоге может приводить к таким патологиям, как синдром раздраженного кишечника (СРК), воспалительные заболевания кишечника (ВЗК), диарея, ожирение, диабет, расстройство пищевого поведения, колоректальный рак, расстройства нервной системы, нейродегенеративные заболевания, сердечно-сосудистые нарушения и к ряду других заболеваний.

Воздействие негативных факторов космического полета, способных усилить степень окислительного повреждения, требует высокого уровня антиоксидантной защиты организма.

Существует не так много исследований, посвященных оценке антиоксидантного статуса и степени окислительного стресса у космонавтов и астронавтов.

Так, в одном из исследований у 11 астронавтов 1-8 экспедиций МКС концентрация 8-гидрокси-2’-дезоксигуанозина (8OHdG) (ключевого маркера окислительного повреждения ДНК и интенсивности оксидативного стресса) в моче была повышена на 32% при приземлении на Землю, что свидетельствует об увеличении повреждений ДНК. Уровень супероксиддисмутазы (СОД) (ключевого фермента антиоксидантной защиты) в эритроцитах был снижен, что свидетельствовало о снижении антиоксидантной способности. Показатель активности глутатионредуктазы (ключевого фермента, восстанавливающего окисленный глутатион (GSSG) в активный глутатион (GSH) в крови был повышен, что также указывает на усиление окислительного стресса.

Когда собственная антиоксидантная защита организма не справляется с обезвреживанием избытка АФК, встает вопрос о приеме эндогенных антиоксидантов. Существует ряд витаминов и минеральных веществ, а также других минорных БАВ с доказанной антиокисидантной активностью. Безусловно, это каротиноиды, витамины А, Е и С. Причем исследования показали синергизм между бета-каротином, аскорбиновой кислотой и альфа-токоферолом за счет образования аскобилрадикала, обладающего мощным антиоксидантным эффектом. Сюда же входят марганец, медь, цинк, селен. Например, селен необходим для эффективной работы глутатионпероксидазы — одного из важнейших ферментов эндогенной антиоксидантной системы человека. Он входит в состав активного центра этого фермента. Коэнзим Q10 — Ключевой антиоксидант, синтезируемый всеми клетками организма. Антиоксидантной активностью обладают полифенолы, в частности биофлавоноиды (кверцетин, рутин, антоцианы, ресвератрол и другие).

В настоящее время активно изучаются антиоксиданты, способные предотвращать атрофию мышц, вызванную их бездействием. Это витамин Е, N-Ацетилцистеин, антиоксиданты, нацеленные на митохондрии, в частности SS-31 (D-Arg-2′6′-диметил-Tyr-Lys-Phe-NH₂), экстракт корня энотеры пахучей (EVP), мелатонин, комбинация рыбьего жира и куркумина, ресвератрол.

Существенной проблемой, особенно дальних космических полетов, например, на Марс является то, что космическое излучение может вызывать поведенческие и нейронные эффекты, схожие с теми, что наблюдаются при старении. Это может ухудшать способность космонавтов выполнять критически важные задачи. В области исследований центральной нервной системы имеются публикации, указывающие на эффективность некоторых антиоксидантов, которые улучшают церебральный метаболизм, защищают мозг от гипоксического повреждения и поглощают свободные радикалы. Среди них: мелатонин, α-липоевая кислота, фруктовые экстракты (черники и клубники), флавоноидные гликозиды из гинкго билоба (мирицетин и изорамнетин).

Отдельного внимания требует тема полифенолов, которые представляют собой обширную группу фитохимических веществ, обладающих мощной антиоксидантной активностью. Полифенолы проявляют свое антиоксидантное действие путем:

— нейтрализации активных форм кислорода и активных форм азота;

— хелатирования ионов переходных металлов;

— предотвращения окисления биомолекул и рядом других механизмов.

Оптимальной стратегией для борьбы с окислительным стрессом представляется подбор для космонавтов источников пищи, обладающих наиболее высоким антиоксидантным потенциалом.

Обеспечение космонавтов свежими овощами, фруктами, ягодами, безусловно, было бы оптимальным, поскольку синергизм всех пищевых веществ в них обеспечивает наилучшую их усвояемость и положительное воздействие на здоровье. Однако, если на МКС доставка свежих фруктов и овощей успешно решается, то, например, на Луне, а особенно на Марсе это будет представлять собой серьезную проблему, и здесь не обойтись без дополнительного приема нутрицевтиков.

Но возникает другая проблема, даже в многочисленных наземных экспериментах, высокие дозы антиоксидантов, таких как витамин С, Е, бета-каротин зачастую вызывают у исследуемых неблагоприятное действие. Например, фенольные соединения в высоких дозах и в присутствии ионов металлов могут вызывать прооксидантные эффекты. Так, в исследовании in vitro с использованием клеточных моделей была показана прооксидантная активность ряда полифенолов, таких как кверцетин, катехины, включая эпикатехин и эпигаллокатехин-3-галлат (EGCG), а также галловой кислоты. Например, в высоких дозах кверцетин (50 мкм) способен усиливать образование супероксидных радикалов (O₂^•-) внутри изолированных митохондрий и культивируемых клеток.

Кроме того, в ряде исследований продемонстрировано, что в фармакодинамика и фармакокинетика лекарственных веществ отличается на Земле и в космосе, что приводит к недостаточной эффективности или даже цитотоксичности при метаболизме лекарств в космическом полете. Это же касается и антиоксидантов. Дозозависимый эффект приема антиоксидантов диктует тщательно учитывать различную оптимальную концентрацию каждого антиоксиданта. И хотя для БАВ и минорных компонентов пищи установлены адекватный и верхний допустимый уровни потребления, все же необходимы дополнительные исследования, чтобы выяснить, одинаковы ли эти концентрации для потребления на Земле и в космическом полете.

Для решения этих задач ряд исследователей предлагает руководствоваться ключевыми аспектами, которые следует учитывать при разработке антиоксидантных нутрицевтиков. Эти аспекты включают в себя оценку устойчивости космонавтов к повреждениям, вызванным АФК, мониторинг образования АФК в полете, оценку клеточного стресса и персонализированную профилактическую защиту от АФК.

Предлагается использование полигеномных ассоциативных исследований для оценки эндогенной способности организма противостоять стрессовым факторам окружающей среды. Поскольку наши клетки обладают способностью уравновешивать избыточное образование АФК и детоксикацию с помощью скоординированной экспрессии генов, кодирующих белки-антиоксинданты для предотвращения окисления белков и повреждения ДНК, то оценка экспрессии самостоятельно вырабатываемых и регулируемых антиоксидантных белков у космонавтов может помочь выявить тех лиц, которым могут потребоваться различные типы и концентрации антиоксидантных добавок.

Предварительное генетическое тестирование космонавтов с целью выявления генетических вариантов, которые могут играть роль в предрасположенности к более высокому повреждению АФК и биологическому старению как на Земле, так и в космосе является ключом к реализации стратегии антиоксидантной профилактики.

Генотоксический стресс у космонавтов можно контролировать путем количественного определения духцепочечных разрывов ДНК (DSB) в иммунных клетках из капиллярной крови. В одном из исследований было отмечено, что у лиц с низким исходным уровнем двухцепочечных разрывов меньше клинических осложнений и улучшены реакции репарации повреждений ДНК. Таким образом, можно стратифицировать космонавтов по уровню выработки антиоксидантов, и в зависимости от степени их антиоксидантной защиты, обеспечивать персонализированную дотацию определенных антиоксидантов и их количеств.

В целях оценки клеточного стресса в космическом полете, можно проводить измерение бесклеточной циркулирующей митохонриальной ДНК (ссf-mtDNA) методом qPCR (обычная ПЦР в реальном времени) в плазме или сывортоке крови, которая является новым биомаркером при развитии физиологических повреждений.

Стратегии минимизации повреждения АФК необходимы для поддержания здоровья космонавтов, в том числе с помощью дальнейшего поиска перспективных природных источников веществ, обладающих антиоксидантной активностью. А будущие пилотируемые полёты в дальнем космосе наряду с решением проблем технического характера тем более требуют новых подходов к медико-биологическому сопровождению экипажей.