Заявка на КЭ Област - Координационный научно

ЗАЯВКА
НА ПРОВЕДЕНИЕ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА НА
РОССИЙСКОМ СЕГМЕНТЕ МКС
1. Полное наименование КЭ и его шифр:
Особенности дифференцировки, функциональных потенций и адаптаций стромальных
клеток костного мозга в условиях космического полёта
Шифр – «Област»
2. Полное наименование и реквизиты предприятия – постановщика КЭ:
Государственный научный центр Российской Федерации Институт медико-биологических
проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ ИМБП РАН)
123007, Москва, Хорошевское шоссе, 76-а
3. Наименование тематической секции КНТС, к направлению которой заявитель
относит свой КЭ:
«Космическая биология и физиология»
4. Данные о научных руководителях КЭ:
Оганов Виктор Сумбатович, заведующий лабораторией, д.м.н., профессор
ГНЦ РФ ИМБП РАН, 123007, Москва, Хорошевское шоссе, 76-а;
Родионова Наталия Васильевна, заведующая отделом, д.б.н., профессор
Институт зоологии им. И.И. Шмальгаузена НАН Украины, 01601, Киев-30, ул.
Б.Хмельницкого, 15
5. Головной исполнитель (постановщик):
Оганов Виктор Сумбатович, заведующий лабораторией, д.м.н., профессор
ГНЦ РФ ИМБП РАН, 123007, Москва, Хорошевское шоссе, 76-а
6. Соисполнители:
- РКК «Энергия» им. С.П. Королева
- РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина
- НПО «Дисковые системы», г. Киев
7. Желательные и технически возможные сроки проведения КЭ:
2012-2013 гг.
8. Краткое описание КЭ:
Общие цели и обоснование
Костный скелет является одной из важнейший мишеней действия факторов космического
полёта на организм. Установлено снижение минеральной насыщенности костной ткани,
интенсивности остеопластических процессов, что может приводить к развитию остеопении
2
и остеопороза (Григорьев и др., 1994; Arnaut et al., 1998; Оганов, 2003, 2009 и др.).
Это является серьёзным фактором, лимитирующим длительность космических полётов.
Клеточные и тканевые механизмы влияния микрогравитации на костный скелет и развитие
остеопоротических изменений остаются во многом неясными. Актуальным является
исследование гравизависимых реакций мультипотентных стромальных клеток костного
мозга (МСК) и их производных – остеогенных клеток-предшественников, изменений их
ультраструктуры, особенностей пролиферации, дифференцировки, специфического
функционирования. Не изучены роль и степень участия стромальных клетокпредшественников в иерархии гравичувствительности клеток в системе стромальноостеобластно-остеоцитарного синцития, обеспечивающего функционирование костной
ткани и трансдукцию в ней механических сигналов. Условия КЭ – оптимальная модель для
поиска ответа на эти фундаментальные вопросы.
Цель космического эксперимента
Получение новых научных данных об изменениях ультраструктуры, пролиферации,
дифференцировки, функциональных потенций и адаптаций стромальных клеток костного
мозга,
содержащих
остеогенные
клетки-предшественники,
о
механизмах
гравичувствительности клеток при действии факторов космического полёта.
Основными задачами эксперимента являются:
- изучить в условиях in vitro цитологические, ультраструктурные, цитохимические, и
популяционные характеристики клеток стромы костного мозга, содержащих остеогенные
клетки-предшественники;
- исследовать дифференцировочные потенции клеток костномозговой стромы, особенности
пролиферации, дифференцировки, специфического функционирования остеогенных
клеток-предшественников, некоторые механизмы их гравичувствительности;
- провести сравнительный анализ данных, полученных на клеточных культурах
стромальных клеток костного мозга с результатами исследований на тканевом и
организменном уровнях для выяснения взаимодействия в остеогенезе локальных и
системных факторов.
Подготовку и проведение КЭ «Област» планируется выполнить в соответствии с научной
программой по предлагаемой циклограмме. Перед стартом клеточные культуры костного
мозга крыс, находящиеся в биоконтейнерах, выдерживаются в термостате при температуре
+37°С в течение 3 суток для адгезии клеток. Затем биоконтейнеры с культурами
размещаются в термостате (+4°С) транспортировочного устройства «Биолаборатории М» и
перед стартом доставляются на борт станции (при температуре +4°С). Активная часть
эксперимента начинается сразу после размещения биоконтейнеров с культурами клеток в
термостатах (+37°С) «Биолаборатории М» и на бортовой центрифуге (1g) (синхронный
контроль). Длительность активного периода эксперимента (сеанса) 7-12 суток. Параллельно
будет поставлен наземный контроль. В конце эксперимента космонавт-оператор выполняет
манипуляции, связанные с химической фиксацией клеточных культур (ампула с
фиксирующей смесью находится внутри биоконтейнера), а также помещает часть
биоконтейнеров с культурами в термостат (+4°С) и холодильник (–15°С). По окончании
эксперимента
биоконтейнеры
с
культурами
размещаются
в
холодильнике
2
3
транспортировочного устройства «Биолаборатории М» при температуре (+4°С) и (–15°С) и
доставляются на Землю.
Принципиальными требованиями к проведению, определяющими качество получаемой
информации являются стабильность температурного режима термостата, холодильника,
бесперебойное вращение центрифуги.
После полёта будет проведена обработка биоматериала и сравнительный анализ полётных и
контрольных (синхронных и наземных) клеточных культур с применением методов
световой микроскопии, электронной микроскопии, фазово-контрастной, конфокальной и
люминесцентной микроскопии, цитоиммунохимии, молекулярно-генетических методов и
др., согласно научных задач. Планируются также провести послеполётные исследования
живых клеточных культур с использованием специальных маркеров специфических
биосинтезов для оценки пролиферативного и дифференцировочного потенциала, а также
метаболической активности стромальных клеток костного мозга. Комплекс методов и их
научная информативность адекватны для решения поставленных задач.
Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и
зарубежными исследованиями.
КЭ «Област» имеет научную новизну в плане постановки задач исследования и
методических подходов. Высокий качественный уровень исследований предполагает
получение новых по сравнению с имеющимися отечественными и зарубежными
разработками данных о роли гравитационного фактора в дифференцировке остеогенных
клеток-предшественников в составе стромы костного мозга. Результаты исследований
позволят дать ответ на выдвигаемую исполнителями гипотезу о клеточных механизмах
ремоделирования в костных структурах и направленности трансдукции механических
сигналов в системе стромально-остеобластно-остеоцитарного синцития костной ткани;
внесут новое в понимание механизмов влияния факторов космического полёта на
остеогенетические процессы в костном скелете и развитие остеопороза.
Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование (с указанием области
применения).
Будут получены новые для науки и практических разработок данные о гравизависимых
изменениях в клетках стромы костного мозга. Результаты исследований об особенностях
колониеобразования, ультраструктуры, дифференцировки и функциональных потенций
МСК и их производных – остеогенных клеток-предшественников в условиях
микрогравитации послужат основой для разработки методов диагностики и
прогнозирования (тест-системы), а также коррекции патологических состояний костной
ткани, в частности остеопении и остеопороза, развитие которых возможно в условиях
длительных космических полётов и при гипокинезии, которая в настоящее время
рассматривается как экосоциальный фактор.
Области применения:
космическая медицина и биология, биотехнология, практическая и теоретическая медицина
и биология.
3
4
Научные публикации постановщиков, имеющие отношение к предлагаемому
эксперименту:
1. Родионова Н.В.Функциональная морфология клеток в остеопорозе. – Киев: Наук.
думка, 1989. – 186 с.
2. Oganov V.S. The skeletal system, weightlessness, and osteoporosis. M., Firm "Slovo" 2006,
256p.
3. Родионова Н.В. Цитологічні механізми перебудов у кістках при гіпокінезії та
мікрогравітації. – Київ: Наук. думка, 2006. – 239 с.
4. Воложин А.И., Оганов В.С. (Ред) Остеопороз. // Практическая медицина, Москва 2005,
238с.
5. Rodionova N.V., Shevel I.M., Oganov V.S., Novikov V.E. Bone ultrastructural changes in
Bion 11 Rhesus Monkeys. // J. Gravit. Phisiol., 2000. - vol.7. (1), р 157-161.
6. Rodionova N.V., Oganov V.S. Morpho-functional adaptations in the bone tissue under the
space flight conditions // J. Gravit. Physiol.. 2001. vol. 7 (3),.p.72-73.
7. Rodionova N.V., Oganov V.S., Zolotova N.V. Ultrastructural changes in osteocytes in
microgravity conditions // J. Advanc. Space Research. 2002. vol. 30. № 4,775-770.
8. Rodionova N.V., Oganov V.S., Polkovenko O.V.. Mechanisms of gravity-dependent changes
in the bone tissue // J. Gravit. Physiol., 2002, 9 (1), P. 169-17.
9. Rodionova N.V., Oganov V.S.Changes of cell-vascular complex in zones of adaptive
remodeling of the bone tissue under microgravity conditions //J. Advanc. Space Research. USA.
Vol. 32, № 8, – 2003.– P. 1477–1482.
10. Оганов В.С., Бакулин А.В., Новиков В.Е., Мурашко Л.М., Кабицкая О.Е. Изменения
костной ткани человека в космическом полете. О возможных механизмах остеопении //
Остеопороз и остеопатии. 2005. №2. С.2-7.
11. Rodionova N.V., Oganov V.S. Peculiarity of ultrastucture and 45Ca methabolism of
osteoclasts in condictions of hind limb unloading and microgravity // Vestnik zoology, 2009. – 43
(4). – P. 305-313.
12. Rodionova N.V., Oganov V.S., Nesterenko O.N., Babak S.V. Autoradiographic studies of
the intensity of osteogenetic processes in the bone skeleton under the lowering of gravitation
loading // 17-th IAA Humans in Space Symposium, June 7-11. 2009. Moscow, Russia. - P. 108109.
4