Научно-техническое обоснование

Научно-техническое обоснование
космического эксперимента «Перемещение жидкостей»
1. Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса
Более чем у 30% американских астронавтов развились изменения рефракции глаза после
длительного космического полета на Международную Космическую Станцию (МКС).
Недавние исследования также показали структурные изменения глаза (отек диска
зрительного нерва, уплощение глазного яблока, хориоидальные складки) и зрительного
нерва (расширение оболочки, извилистость и перегибы), показатели изображений и данные
поясничной пункции указывают на повышение внутричерепного давления (ВЧД). В то время
как короткий космический полет также характеризуется нарушениями зрения, они, как
правило, временны и, как представляется, не оказывают длительного воздействия на
структуру или функцию глаза. Изменения зрения, морфологии глаза и его придатков,
предположительно являются результатом перераспределения краниальной жидкости,
вызванного космическим полетом и временно повышенным внутричерепным давлением.
Однако данная гипотеза не была систематически проверена. В отдельных более ранних
публикациях было отмечено повышение ВЧД в длительном космическом полете, но без
ассоциации со структурными или функциональными изменениями глаза. Кроме того, в то
время как перераспределение жидкости и компартментализация во время кратковременного
космического полета (полеты Космического корабля Шаттл) были изучены, модели
распределения жидкости и их влияние на внутричерепное давление или структуру и функции
органов чувств во время длительного космического полета не известны.
Несколько членов экипажа МКС сообщили о последовательном ухудшении заложенности
носа и сопутствующих симптомов в вечерние часы, требуя локального и системного
использования
противозастойных
антигистаминных
препаратов
(Johnston,
Sargsyan,
персональные коммуникации). Хотя были рассмотрены несколько объяснений, потребление
продуктов питания (соли) и воды, вероятно, вызвали эти симптомы через постпрандиальное
изменение баланса жидкости или увеличение циркулирующего объема, проявляющиеся у
самых восприимчивых людей.
Перераспределение жидкости за счет устранения гравитационных (гидростатических)
градиентов кровяного давления является основным следствием входа и существования в
условиях микрогравитации. Такие изменения являются особенно заметными у людей из-за
их вертикальной длины тела и существенного роста. Взрослые люди обычно тратят
1
примерно две трети своей жизни, сидя и стоя в вертикальном положении. При переходе к
невесомости все гравитационные градиенты кровяного давления (артериальное и венозное)
будут потеряны таким образом, что кровь больше не "тянется" к нижним конечностям и
сразу смещается в сторону грудной клетки и головы. Предшествующая работа показывает,
что структура и функции кровеносных сосудов поддерживаются трансмуральными
стрессами, связанными с локальными артериальными давлениями.
Сердечно-сосудистые
функции
в
условиях
микрогравитации
тесно
связаны
с
перераспределениями жидкости, поскольку последние могут уменьшить объемы плазмы,
сердца и систолический объем крови.
2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС
МКС
Перераспределения
жидкости
связанны
с
риском
ортостатической
гипотензии,
недостаточной физической работоспособности для внекорабельной деятельности (ВКД) или
физических нагрузок и потери остроты зрения в длительных полетах. Чтобы понять резкое и
хроническое воздействие перераспределения жидкости в условиях микрогравитации,
необходимо указать ориентир, с которым сделаны сравнения.
3. Новизна,
оценка
качественного
уровня
по
сравнению
с
аналогичными
отечественными и зарубежными исследованиями
Проведение КЭ - первая попытка систематически определить влияние распределения
жидкости в условиях микрогравитации, используя полный набор структурных и
функциональных измерений, включая, но, не ограничиваясь теми, которые связаны с
внутричерепным давлением, зрением, морфологией глаза и его придатков и сосудистой
системой головы и шеи во время и после длительных космических полетов. Проект
исследования
исследователей,
и
методология
включая
основаны
множество
на
соответствующем
успешных
наземных
обширном
опыте
исследований,
аналог
космического полета, а также проекты космических полетов и исследований.
4. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
В результате проведения КЭ будут получены материалы, которые помогут объективно
охарактеризовать изменения в распределении жидкости, включая внутри/внеклеточные и
внутри/внесосудистые перераспределения жидкости, применяя передовые неинвазивные
технологии оценки во время, до и после длительных космических полетов.
2
Будет предпринята попытка описать связь между типом и величиной перераспределения
жидкости с любым влиянием на морфологию глаза и нарушение зрения, внутриглазное
давление (ВГД), а также на величину внутричерепного давления. Кроме того, предполагается
определить, возможно ли предсказать величину перераспределения жидкости во время
космического полета, а также вышеуказанные последствия этих перераспределений на
основании
исходных
данных
и
реакций
членов
экипажа
на
кратковременные
антиортостатические тесты, выполненные перед запуском. Особое внимание будет уделено
описанию влияния отрицательного давления нижней части тела (ОДНТ) на указанные выше
параметры.
Это исследование впервые позволит определить, являются ли хорошо известное
перемещение жидких сред и сердечно-сосудистая адаптация в условиях микрогравитации
основными факторами, способствующими развитию нарушений зрения и предполагаемому
росту внутричерепного давления, и можно ли временно парировать эти явления за счет
изменения направления этого перемещения жидких сред на противоположное. Эта
информация поможет определить направления разработки профилактических мер и/или схем
лечения.
Знания, полученные в ходе данного исследования также, возможно, пригодятся медикам при
лечении и изучении больных, страдающих идиопатической внутричерепной гипертензией –
тяжелым заболеванием, некоторые характеристики которого схожи с тем, с чем
сталкиваются астронавты.
5. Описание космического эксперимента.
Астронавты будут обследоваться до, во время и после космических полетных миссий,
состоящих из приблизительно 180 суток полета. Сбор данных будет осуществляться
примерно за 90 дней до запуска, один раз рано (на день полета 45) и один раз поздно (на 150
день полета или раньше в соответствии с ограничениями графика посадки) во время полета;
через 10 дней после посадки и еще два раза на 30 и 180 день после посадки для отслеживания
восстановления. Для годового полета планируется проведение трех сессий КЭ: один раз на
день полета 45, один раз на 150 день полета и один раз за 45 или 30? дней до окончания
полета. Данные от годовых полетов будут использованы полностью, по мере поступления, с
моментами времени, добавленными по мере необходимости для отслеживания изменений в
течение более длинного полета. Полетные мероприятия по ультразвуку будут дистанционно
вестись с Земли сертифицированными специалистами УЗИ, как и в предыдущих
экспериментах и медицинских экспертизах. Пред-и послеполетные меры будут проводиться
следующим образом: сидя в вертикальном положении, лежа на спине, и в 25º
3
антиортостатическом положении. Подробное описание необходимых для регистрации
параметров приведено ниже.
Сбор предполетных фоновых данных (L-90): 1-й день исследований
Определение пространственного разделения жидкостей (только лежа):
• Общее количество воды в организме (разбавление D2O, сбор слюны и урины)
• Сбор слюны x3 (фоновый, через 3 и 5 часов после приема маркера)
• Сбор урины – фоновый и через 3 и 5 часов после приема маркера
• Объем внеклеточной жидкости (NaBr, разбавление, сбор крови и урины)
• Сбор крови и урины x2 (фоновый и через 3 часа после приема маркера)
• Объем внутриклеточной жидкости (расчетный)
• Объем плазмы (фракционная концентрация монооксида углерода, сбор крови
• Объем межклеточной (интерстициальной) жидкости (расчетный)
Сбор предполетных фоновых данных (L-90): 2-й день исследований (ОДНТ)
УЗИ-исследование смещения жидких сред:
• Артериальные и венозные исследования головы и шеи
• Исследования сердечных, глазных и воротной вен
• Толщина тканей верхней части тела и нижних конечностей
Прочие физиологические исследования:
• Внутричерепное давление (CCFP*/DPOAE)
• Внутриглазное давление (Tonopen/iCare и УЗИ)
• Строение глаза (OCT)
• АД / ЧСС / сосудистый тонус
• Насыщение ткани водой (NIRS-БИК-спектроскопия)
Исследования в положении лежа и в антиортостатическом положении под 15º (исследование
в вертикальном положении не проводится)
Суммарно во 2-й день: 90 минут
Сбор предполетных фоновых данных (L-21/18 месяцев): день (дни) МРТ
• По возможности в качестве планового дополнение к сканированию в рамках медицинских
операций
• Исследования морфологии, кровотока и ВЧД при помощи МРТ при 3 Тл
• Исследования в положениях лежа, стоя и в антиортостатическом положении
• Суммарно на МРТ: 3,3 часов
Полетные сессии (ПД45, ПД150, R-30)
Некоторые из исследований, применявшихся для предполетного сбора фоновых данных
1-й день исследований (4,9 часов)
4
Исследования пространственного разделения жидкостей:
• Общее содержание воды в организме (слюна/урина)
• Объем внеклеточной и внутриклеточной воды (кровь/урина)
2-й день исследований (6,7 часов)
Ультразвуковое исследование перемещения жидких сред:
• Артериальные и венозные исследования головы и шеи
• Исследования сердечных, глазных и воротной вен
• Толщина тканей верхней части тела и нижних конечностей
Прочие физиологические исследования:
Внутричерепное давление (CCFP/DPOAE)
Внутриглазное давление (Tonopen/iCare и УЗИ)
Строение глаза (OCT)
АД / ЧСС / сосудистый тонус
3-й и 4-й день исследований (13,5 часов)
Аналогично 2-му дню плюс ОДНТ в Чибисе
После полета: однодневные сессии, аналогичные 1-му дню предполетного
сбора фоновых данных (R+10, R+30, R+180)
Пространственное разделение жидких сред (только в положении лежа):
• Общее количество воды в организме (разбавление D2O, сбор слюны и урины)
• Объем внеклеточной жидкости (NaBr, разбавление, сбор крови и урины)
• Объем внутриклеточной жидкости (расчетный)
• Объем плазмы (фракционная концентрация монооксида углерода, сбор крови)
• Объем межклеточной жидкости (расчетный)
УЗИ-исследование перемещения жидких сред:
• Артериальные и венозные исследования головы и шеи
• Исследования сердечных, глазных и воротной вен
• Толщина тканей верхней части тела и нижних конечностей
Прочие физиологические исследования:
• Внутричерепное давление (CCFP*/DPOAE)
• Внутриглазное давление (Tonopen/iCare и УЗИ)
• Строение глаза (OCT)
• АД / ЧСС / сосудистый тонус
• Насыщение ткани водой ( NIRS - БИК-спектроскопия)
Исследования в положениях стоя, лежа, сидя и в антиортостатическом положении
под углом 15º.
5
Суммарно для каждой послеполетной сессии: 2,5 часа
6. Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ
6.1.Объем плазмы (до и после полета):
- Пожар вследствие присутствия источника возгорания вблизи баллонов со сжатым газом. В
зону проведения исследования источники возгорания допускаться не будут;
- Сухость во рту/в горле при использовании для дыхания кислорода от источника сжатого
газа. Персонал будет просить обследуемых пить воду до и после процедуры;
- Воздействие, приводящее к повышению чувствительности или аллергической реакции на
остатки сильного дезинфицирующего средства, которое используется для дезинфекции
элементов многоразового применения . Персонал будет следовать инструкциям изготовителя
и правильно укажет элементы многократного использования. Испытатель будет выполнять
эту процедуру редко.
- Передозировка моноокиси углерода. Приемы набора CO в шприц не позволят набрать в
шприц более 60 куб. см. (это разрешенное по протоколу количество, которое обычно
используется исследователями по всему миру).
6.2. Исследование разбавления – взятие крови (до, после и во время полета):
- Дискомфорт, кровотечение или гематомы во время или поле взятия крови. Использование
корректной техники при взятии крови и прижатие места укола после извлечения
иглы/катетера сведут до минимума опасность возникновения гематом.
- Тошнота вследствие приема бромида. Тошнота более вероятна при приеме
испытателем препарата в положении лежа. При сборе фоновых данных бромид испытателям
будет даваться в конце исследования в положении лежа – перед переходом в положения
сидя.
6.3. Электроды ЭКГ (до, после и во время полета)
-Кожное раздражение или аллергическая реакция при установке электродов
ЭКГ или после нее. Применяются только стандартные сертифицированные для медицинских
операций электроды. Электроды будут устанавливаться на период не превышающий двух
часов подряд.
6.4. УЗИ (до, после и во время полета)
- Гематомы или болевые ощущения от УЗИ во время установки датчика на исследуемый
кровеносный сосуд. УЗИ всегда будет проводиться с минимальным нажимом, достаточным
для получения изображения.
6.5. Часть сессии в антиортостатическом положении (до и после полета)
6
- Ощущение отечности в голове, головная боль. Если головная боль будет невыносимой, в
наличии будет иметься аккумулятор холода. Обследуемый может прервать исследование в
любой момент. Кроме того обследуемым будет предложено при необходимости принять
болеутоляющее после завершения исследования.
- Соскальзывание с ортостатического стола. Обследуемый будет лежать на поверхности с
высоким коэффициентом трения, и костюм «Чибис» будет находиться в углублении,
рассчитанном на то, чтобы не допустить соскальзывания. Кроме того, обследуемых
постоянно контролируют, чтобы определить, не перемещаются ли они.
6.6. Внутриглазное давление при помощи контактного тонометра (до, после и во время
полета)
- Аллергическая реакция на натуральный латекс в наконечнике тонометра
Обследуемые с аллергией на натуральный латекс либо не будут участвовать в этой
процедуре, либо, возможно, будет применяться другое устройство(рикошетный тонометр)
- Глазная травма из-за касания глаза наконечником тонометра с большой скоростью или
силой. 1) Оператор/испытатель должны перед началом процедуры занять устойчивое и
удобное положение, при котором руки были бы свободны, и подтвердить это голосом. 2) Для
стабилизации необходимо упереться основанием ладони в щеку испытателя, держа тонометр
под прямым углом к его роговице.3) Только одномоментное касание глаза без
дополнительного нажатия.
Полетные операции: другие члены экипажа в зону работ допускаются только при условии,
что они принимают в процедуре непосредственное участие и оказывают помощь.
- Временные ощущения пощипывания, жжения и покраснение конъюнктивы вследствие
чувствительности к каплям, применяемым в качестве глазного анестетика. Во время
процедуры будет использоваться минимальный объем раствора, необходимый для анестезии
глаза.
- Гипераллергическая реакция роговицы, выражающаяся в остром, сильном или диффузном
эпителиальном кератите, в сером цвете, внешних проявлениях, похожих на толченое стекло,
отшелушивании больших кусков мертвого эпителия, роговичных нитях и, иногда, в ирите с
десцемититом. Обследуемые, у которых имеется аллергия на какие-либо составляющие этого
препарата, не будут допущены к выполнению данной процедуры, либо, возможно, будет
применяться альтернативное устройство(рикошетный тонометр).
6.7. Перемещение жидких сред при помощи спектроскопии в близком к инфракрасному
спектре (БИК-спектроскопия) (до и после полета)
7
-
Все
физиологические
последствия
удара
электрическим
током
Система
БИК-
спектроскопии электрически изолирована. Электрические связи между обследуемым и
системой отсутствуют.
-
Повреждение
глаза,
если
обследуемый
будет
долго
смотреть
на
источник
света.Обследуемому будет сказано, чтобы он не смотрел на источник света длительное время
- Ожог от перегрева датчика. Температура датчика контролируется прибором. СвД
немедленно отключатся, если температура на коже в течение 10 минут будет сохраняться на
уровне 43°C или одномоментно достигнет45°C. Обследуемому будет сказано сообщить, если
коже под датчиком станет тепло.
6.8. Костюм отрицательного давления нижних конечной «Чибис» (до и после полета).
- Потеря сознания, травма сердца, асистола. Разрежение внутри костюма не превысит -30 мм
рт. ст. (расчетное давление: -25 мм рт. ст.). Как правило, обследуемые переносят такое
низкое ОДНТ. При сбросе давления будет проводиться непрерывный мониторинг ЭКГ и
артериального давления. Испытателю будет сказано сообщить персоналу о симптомах при
их появлении. (Только до полета)
- Дискомфорт, связанный с точечным давлением костюма. В костюме и под испытателем
используются прокладки из пеноматериала, чтобы снизить вероятность образования точек
давления.
-
Чрезмерное
отрицательное
давление.
Встроенные
предохранительные
клапаны.
Отображаемое на дисплее значение давления сверено по откалиброванного датчику
давления.
6.9. Отоакустическая эмиссия на частоте продуктов искажения(DPOAE - ЭЧПИ) (до, после и
во время полета).
- Болевые ощущения и раздражение от установки ушного вкладыша. Ушной вкладыш будет
находиться в слуховом канале только в течение периода сбора данных ЭЧПИ. Он не будет
оставаться в ухе в течение всей исследовательской сессии.
- Нарушение слуха от воздействия шума. При нормальных условиях воздействие в течение
одного теста безвредно. В устройстве предусмотрены ‘критерии останова’, по которым тест
автоматически прекращается после прохождения отоакустической эмиссии или по истечении
задаваемого пользователем промежутка времени (максимум 15 минут). ЭЧПИ находится в
ухе единовременно в течение нескольких минут и ограничивается временем, необходимым
для выполнения протокола.
- Ушная инфекция. На датчике применяются одноразовые наконечники. При загрязнении
соединительные трубки меняются.
8
- Нарушение слуха из-за укупорки соединительной трубки, что мешает устройству
улавливать
стимулирующий
звук
в
ухе.
Соединительные
трубки
перед
каждым
использованием контролируются внешним осмотром, чтобы убедиться, что они не забиты.
6.10. МРТ (до и после полета)
- Волнение. Обследуемому напомнят, что аппарат МРТ не является полностью замкнутым
пространством, и что они будут слышать оператора, а он их.
- Нарушение слуха при работе магнита МРТ. По требованию будут предоставляться беруши.
- Летальный / серьезные травмы мягких или костных тканей при перемещении магнетиков
параллельно
силовым
линиям
поля.
Обследуемые
с
магнитными
кохлеарными
имплантатами, зажимами на церебральной аневризме или стентами будут отсеиваться и не
будут допускаться к участию в данной процедуре. Перед каждым сканированием
обследуемые будут освобождаться от всех внешних металлических предметов, включая
пуговицы и молнии. В опросах с целью установления анамнеза будут иметься вопросы,
специально
предназначенные
на
определение
возможности
наличия
под
кожей
металлических фрагментов.
- Ожоги из-за наличия в камере электропроводящих материалов, например окиси железа в
татуировках. Обследуемые с татуировками будут находиться под контролем в ходе каждого
сканирования на предмет признаков боли. При болевых проявлениях сканер будет
отключаться.
6.11. OCT - Оптическая когерентная томография(до, после и во время полета)
- Инфекция от исследовательского оборудования. Между исследованиями элементы
оборудования будут чиститься и дезинфицироваться.
- Физиологические последствия поражения электрическим током. Все элементы устройства
будут подключаться к изолирующему трансформатору . Не будет одновременного касания
обследуемого и токопроводящих частей разъемов.
- Падение устройства OCT (объектива) на обследуемого, находящегося в положении лежа
или головой внизСтойка OCT - специальной конструкции и обеспечивает опору для
фотографической части OCT марки Spectralis.
6.12. УЗИ глаза (до, после и во время полета)
- Гель для УЗИ в глазу. Обследуемому будет сказано не моргать. Если гель для УЗИ попадет
в глаз, его промоют водой. Для ультразвукового исследования глаз будет применяться
стерильный гель для УЗИ. После ультразвукового сканирования каждого глаза в каждом
положении (лежа, сидя, головой вниз) гель будет полностью удаляться.
9
- Повреждение глаз из-за чрезмерно высокого значения заданной мощности ультразвукового
сигнала. Датчик необходимо отвести от глаза при возникновении любого из перечисленных
ниже условий:
(1) Механический индекс (МИ) превысит 0,24
(2) Тепловой индекс (ТИ) превысит 1,0
(3) Спонтанно изменится яркость изображения
(4) Измениться режим УЗИ (то есть,
допплеровский или гармонический и т. д.)
(5) Член экипажа начнет ощущать тепло на веке
- Травмирование глаза тупым предметом вследствие касания датчиком глаза с большой
скоростью или силой.
(1) Оператор/испытатель должны перед началом процедуры занять устойчивое и удобное
положение, при котором руки были бы свободны, и подтвердить это голосом.
(2) По возможности оператор работает с датчиком и держит его обеими руками
(3) По возможности одной стороной датчик необходимо опереть о костную структуру
вокруг глазного яблока, например, о скуловую кость (скулу) или на переднюю
надглазничную кость (надбровье), или о любую другую кость лицевого отдела.
(4) На глаз всегда оказывается только минимальное давление
(5) Другие члены экипажа в зону работ допускаются только при условии, что они принимают
в процедуре непосредственное участие и оказывают помощь.
6.13. CCFP - давление церебральной и кохлеарной жидкостей (ДЦКЖ)
- Дискомфорт в слуховом канале. Ушной вкладыш будет находиться в слуховом канале
только во время сбора данных ДЦКЖ.
- Волнение и дискомфорт от громкого шума. Громкость шума будет зависеть от
чувствительности
каждого
человека
напоминать, что
шум будет
к
шуму.
громким, и
Следовательно,
каждый
раз
будут
обследуемым
будут
их предупреждать
непосредственно перед началом воздействия.
- Нарушение слуха из-за чрезмерного числа всплесков звука со слишком высоким уровнем.
Воздействие будет ниже расчетных нормативов, установленных Национальным институтом
охраны труда и техники безопасности. Безопасный уровень рассчитан для работы в условиях
повышенного шума в течение 40 часов в неделю.
- Нарушение слуха из-за отказа программных/аппаратных средств. Аппаратный «сторож»
ограничивает продолжительность стимулирования 300 мсек, и максимальная интенсивность
стимула ограничена.
10
- Временное смещение порога слуха. Суммарное время воздействия для каждого
обследуемого будет контролироваться таким образом, чтобы не превышались санитарные
нормы воздействия.
-Слишком высокое давление (или сильное разрежение) в слуховом канале) из-за отказа
оборудования. Давление тимпанометра ограничено значением в ± 200 даПа, которое ниже,
чем применяемое в клиническом оборудовании. Кроме того, есть предохранительный
клапан, открывающийся при давлении более ± 300daPa.
- Нарушение слуха из-за присутствия уплотненной ушной серы. Слуховой канал будет
осматриваться прежде, чем в него будет ставиться ушной вкладыш.
Литература
1. Parazynski SE, AR Hargens, B Tucker, M Aratow, J Styf and A Crenshaw. Transcapillary fluid
shifts in tissues of the head and neck during and after simulated microgravity. Journal of Applied
Physiology 71:2469-2475, 1991.
2. Hargens AR and Richardson S. Cardiovascular adaptations, fluid shifts, and countermeasures
related to space flight. Respiratory Physiology and Neurobiology 169, Suppl 1: S30-33, 2009.
3. Zhang LF and Hargens AR. Intraocular/Intracranial pressure mismatch hypothesis for visual
impairment syndrome in space. Aviation Space Environmental Medicine 85(1): 78-80, 2014.
Приложение
Рисунок 1. Подключение оборудования на РС МКС в первый день обследования с ПВК «Чибис-М»
11
Рисунок 2. Подключение оборудования на РС МКС во второй день обследования с ПВК «Чибис-М»
12