Радиорезистентность — в массы!
Коллаборация ученых опубликовала стратегию по повышению устойчивости к радиации человека в космосе
Cпециалисты из Московского физико-технического института (МФТИ) совместно с коллегами из 29 организаций со всего мира составили стратегию по повышению радиорезистентности человека. Статья с девизом в названии «Viva la radioresistance!» («Да здравствует сопротивление радиации!») была опубликована в научном журнале Oncotarget в начале февраля.
Группа ученых собирается повысить устойчивость людей к космической радиации, дабы она не препятствовала землянам в покорении далеких пространств и колонизации Марса. Для этого они создали стратегию будущих исследований по защите космонавтов от излучения. Она включает лекарственную терапию, генную инженерию и технологию гибернации. По мнению авторов стратегии, радиация и старение разрушают организм схожими методами, а следовательно — способы борьбы с одним могут действовать и против другого.
Невидимый враг
Человечество нацелилось колонизировать Марс: SpaceX Илона Маска обещает доставить человека на Красную планету уже в 2024 году, однако некоторые существенные проблемы таких межпланетных полетов до сих пор не решены. Так, одной из основной опасностей для здоровья космонавтов является космическая радиация.
Ионизирующее излучение повреждает биологические молекулы, в частности, ДНК, что приводит к различным нарушениям: нервной системы, сердечно-сосудистой системы и, главным образом, к раку. Известно, что некоторые организмы чрезвычайно устойчивы к разрушительным эффектам излучения, то есть обладают высокой радиорезистентностью. Ученые предлагают вооружиться последними достижениями биотехнологий и повысить радиорезистентность человека, чтобы он мог покорять просторы глубокого космоса и колонизировать другие планеты.
Существует два основных типа радиации, несущих потенциальную угрозу для экипажей межпланетных космических кораблей: солнечные вспышки и космические лучи. Вдали от Земли первое не играет никакой роли. Вспышки производит наше светило, а лучи прилетают из космического пространства. При этом если лететь за пределы Cолнечной системы, то в этом перечне остаются только космические лучи, порождаемые астрономическими катаклизмами вне Солнечной системы.
Солнечные вспышки — это очень мощные импульсы радиации, способные убить за короткий срок. Однако их можно остановить посредством слоя воды всего в 12 сантиметров или эквивалентным такому слою барьером — запасами провианта или биологическими отходами.
Большую опасность представляют собой космические лучи. Это набор самых разных частиц, которые барабанят, словно никогда не прекращающийся дождь. При этом самые опасные из них — ядра с высокими зарядами и энергией. Они составляют всего один процент от всех «капель такого дождя», однако имеют высокую линейную передачу энергии, из-за чего их называют плотно ионизирующим излучением.
Считается, что плотно ионизирующее излучение наносит больше вреда, чем редко ионизирующее. И то, и другое вызывает разрывы обеих цепочек ДНК. Однако плотно ионизирующее излучение наносит урон намного более «кучно», создавая разрывы близко другу к другу —такие повреждения системе репарации клетки сложнее восстановить правильно, поэтому плотные лучи несут в себе максимальный канцерогенный эффект.
«В космических масштабах наша планета — словно небольшой корабль, неплохо защищенный от космического излучения. Магнитное поле Земли отклоняет солнечные и галактические заряженные частицы, тем самым существенно снижая уровень радиации на поверхности планеты. При дальних космических полетах и колонизации планет с очень слабыми магнитными полями (например, Марса) такой защиты не будет — астронавты и колонисты подвергнутся постоянному воздействию потоков заряженных частиц с огромной энергией. Фактически космическое будущее человечества зависит от того как мы преодолеем эту проблему», — комментирует заведующий отделом экспериментальной радиобиологии и радиационной медицины ФМБЦ им. А.И. Бурназяна, профессор РАН, сотрудник лаборатории разработки инновационных лекарственных средств МФТИ, Андреян Осипов.
Неожиданный союзник
У человеческого организма есть способы защищаться от повреждений ДНК и восстанавливать их. Снаружи на наше ДНК постоянно воздействует естественный радиационный фон, а изнутри — активные формы кислорода (АФК), которые образуются при нормальном клеточном дыхании. Радиация точно так же вредит двумя путями: рвет нуклеиновые кислоты напрямую и увеличивает концентрацию АФК, которые, в свою очередь, «атакуют» ДНК.
В ходе репарации ДНК, особенно в случае тяжелых повреждений, могут происходить ошибки. Именно накопление мутаций при репликации считается одной из главных причин старения, так что радиация и старения имеют между собой нечто общее. Однако клетки могут адаптироваться к облучению. Показано, что стресс, вызванный маленькой дозой радиации, может подготовить клетки ко встрече с более высокими дозами.
Тем не менее, международные стандарты радиационной защиты это не учитывают — они используют данные о людях, выживших после атомного удара (где были получены высокие дозы) и руководствуются линейной моделью, согласно которой вред здоровью пропорционален дозе облучения. Но, по всей видимости, существует некий порог радиации, воздействие ниже которого действует как «закалка» для клеток. Ученые из консорциума считают, что это можно взять на вооружение.
«Наши многолетние исследования эффектов малых доз ионизирующих излучений на продолжительность жизни модельных животных показали, что небольшие повреждающие воздействия способны стимулировать собственные защитные системы клеток и организма (репарацию ДНК, белки теплового шока, удаление нежизнеспособных клеток, врожденный иммунитет), что в конечном итоге может даже замедлять скорость старения и увеличивать продолжительность жизни. Однако в космосе люди столкнутся с более существенным и опасным диапазоном доз плотного ионизирующего излучения. Наш опыт ведения базы данных геропротекторов свидетельствует о том, что многие из них функционируют по механизму активизации резервных возможностей, повышения стрессоустойчивости. Таким образом, вполне вероятно что подобная стимуляция стрессоустойчивости поможет будущим колонизаторам космических просторов» — говорит заведующий лабораторией генетики продолжительности жизни и старения МФТИ, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук Алексей Москалев.
Семь бед — один ответ
И действительно, на сегодняшний день существует только один радиопротектор — препарат, увеличивающий защиту организма от ионизирующего излучения, одобренный американским Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). Но основные сигнальные пути в клетках, которые включены в процессы старческих патологий, участвуют также и в ответах на облучение. Исходя из этого, геропротекторы — лекарства, которые уменьшают скорость старения и продлевают продолжительность жизни — могут служить и радиопротекторами.
Поскольку ионизирующее излучение вредит живым клеткам также через АФК, справиться с этим «поражающим фактором» могут помочь антиоксиданты, такие как глутатион, NAD и его предшественник NMN. Последние, по видимому, играют важную роль в ответе на повреждение ДНК, поэтому представляют большой интерес с точки зрения защиты от радиации и старения.
Согласно базам данных Geroprotectors.org и DrugAge сейчас существует более 400 потенциальных геропротекторов. Ученые из консорциума считают, что будет полезно изучить их и на наличие радиопротекторных свойств.
Выживает сильнейший
Среди людей радиорезистентность отличается: кто-то больше устойчив к радиации, кто-то меньше. Медицинский отбор радиорезистентных индивидов предполагает взятие образцов клеток у потенциальных кандидатов и всесторонний анализ их радиоадаптивности. Самые устойчивые к облучению полетят в космос. Кроме этого, можно проводить полногеномные исследования людей, проживающих в областях с высоким уровнем фонового излучения или сталкивающихся с ним по профессии. Наличие определенных однонуклеотидных полиморфизмов или мутаций у людей, менее подверженных раку и другим заболеваниям, связанными с ионизирующим излучением, можно выделить и «привить» космонавтам с помощью современных методов генной инженерии.
Другой подход — экспериментальная эволюция: выращивать в пробирке человеческие клетки, подвергать их облучению и таким образом отбирать выживших из поколения в поколение. Впрочем, опять-таки, привнести эти генетические особенности людям можно только с помощью генной инженерии.
Инженеры человеческих тел
Действительно, развитие таких технологий, как CRISPR-Cas, позволит вставить нужные гены в организм и заставить их производить нужные белки. Есть несколько вариантов, какие гены можно внести, чтобы повысить радиорезистентность. Во-первых, гены антиоксидантов помогут защитить клетки от активных форм кислорода, появляющихся в результате облучения. Несколько научных групп уже успешно опробовали в экспериментах снизить чувствительность к радиации с помощью таких трансгенов.
Проблема в том, что при возникновении рака излишняя экспрессия антиоксидантов может снизить эффективность лучевой терапии. Поэтому лучше вставлять гены, которые активизируются по сигналу, тогда, в случае чего, их экспрессию можно будет прекратить. Причем благоразумней сделать разные сигналы для разных тканей, чтобы снизить экспрессию только в той ткани, которой требуется лучевая терапия, а здоровые ткани оставить под защитой антиоксидантов. Однако от прямого воздействия облучения этот способ не спасет, только от опосредованного, из-за этого он будет эффективен только против редко ионизирующего излучения.
Можно вносить и гены белков, ответственных за восстановление ДНК. Такие опыты уже проводились — некоторые гены действительно помогали, а некоторые приводили к повышенной геномной неустойчивости, так что эта область ждет новых исследований. И как и в случае с антиоксидантными генами, следует позаботиться о возможности лучевой терапии. Компьютерные модели показали, что чем ближе друг к другу двойные разрывы, тем больше ошибок будет при их ремонте. Это означает, что описанный способ будет оставлять много ошибок в случае плотно ионизирующего излучения.
Более перспективный метод — использование радиозащитных трансгенов. Многие организмы (например, тихоходки) обладают высокой степенью радиорезистентности, и если выяснить, какие гены и молекулярные механизмы за этим стоят, их можно «добавить» и людям с помощью генной терапии. Чтобы убить 50% тихоходок, нужна доза облучения в 1000 раз больше, чем смертельная для человека. Недавно был обнаружен белок, который предположительно является одним из факторов такой выносливости — так называемый супрессор повреждений Dsup. В эксперименте с клеточной линией человека оказалось, что введение гена Dsup уменьшает повреждения на 40%. Это делает ген перспективным кандидатом в защитники человека от радиации.
Инфографика: Анатолий Лапушко / Chrdk.
Спи и не бойся
Вскоре после запуска первых космических полетов ведущий конструктор советской космической программы Сергей Королев начал разрабатывать амбициозный проект пилотируемого полета на Марс. Его идея заключалась в том, чтобы привести экипаж в состояние гибернации во время длительных космических путешествий. При гибернации все процессы в организме замедляются. Эксперименты с животными показывают, что в таком состоянии повышается устойчивость к экстремальным факторам: понижение температуры, смертельные дозы облучения, перегрузки и так далее.
В СССР проект полета на Марс был закрыт после смерти Сергея Королева. А в настоящее время Европейское космическое агентство (ЕКА) работает над проектом «Аврора» — полетам на Марс и Луну, в котором рассматривается вариант «спячки» космонавтов. ЕКА считает, что при длительном автоматизированном полете, гибернация обеспечит большую безопасность. Если же говорить о будущей колонизации космоса, то проще перевозить и защищать от радиации банк криоконсервированных зародышевых клеток — как в фильме «Чужой: Завет» — а не популяцию взрослых людей. Но это явно будет не в ближайшем будущем и, возможно, к тому моменту методы радиозащиты будут развиты достаточно, чтобы человек не боялся космоса.
Тяжелая вода
Все органические соединения содержат углерод-водородные связи (С-Н). Однако можно синтезировать соединения, которые содержат вместо водорода дейтерий — более тяжелый изотоп водорода. Из-за большей массы связи с дейтерием сложнее разорвать. Включение тяжелой воды в рацион уже изучалось как радиозащитная стратегия, и на мышах было показано, что это увеличивает выживаемость после облучения.
Однако наш организм рассчитан на работу с водородом, поэтому если слишком много водорода заменить на дейтерий, это может привести к плохим последствиям. Было установлено на разных организмах, что добавление дейтерированной воды увеличивает продолжительность жизни и оказывает противораковое действие, но больше 20% тяжелой воды в рационе начинает оказывать токсическое действие. Ученые из консорциума считают, что следует проводить доклинические испытания и искать порог безопасности.
Интересной альтернативой представляется замена не водорода, а углерода на более тяжелый аналог. 13C тяжелее 12C всего на 8%, в то время как дейтерий тяжелее водорода на 100% — такие изменения для организма будут менее критичны. Однако этот способ не защитит от разрыва N-H и O-H связи, которые скрепляют основания ДНК. К тому же производство 13C на сегодняшний день является очень дорогим. Тем не менее, если получится снизить стоимость его производства, то замена углерода может быть дополнительной защитой человека от космической радиации.
Наконец, консорциум предлагает использовать последние достижения в области искусственного интеллекта для постоянного мониторинга здоровья космонавтов. Если искусственный интеллект на основе данных сможет отслеживать минутные изменения под воздействием облучения, то можно будет вовремя принять профилактические меры. Кроме этого, искусственный интеллект может ускорить поиск и проверку новых лекарств, на что у людей уходит очень много времени.
«Современная космонавтика делает шаг за шагом на пути к покорению далекого космоса. Тем не менее, при нынешнем уровне развития науки и техники участники возвратной пилотируемой миссии на Марс по возвращении на Землю в лучшем случае останутся тяжелыми инвалидами, а в худшем — и вовсе не перенесут миссию. Проблема радиационной безопасности участников космических миссий относится к классу очень сложных проблем, которые невозможно решить в рамках одного научного центра или даже целой страны. Именно по этой причине мы решили объединить специалистов из ведущих центров в России и по всему миру для того, чтобы узнать и консолидировать их видение путей решения данной проблемы. В частности, среди российских специалистов есть ученые из ФМБЦ им. А.И. Бурназяна, ИМБП РАН, МФТИ и других учреждений. В ходе работы над проектом многие его участники впервые познакомились друг с другом и теперь планируют продолжать начатые совместные исследования», — заключает координатор проекта Иван Озеров, радиобиолог, руководитель группы анализа клеточных сигнальных путей Сколковского стартапа «Инсилико».
Зачем так сложно?
Естественно, читая перспективы таких, на грани фантастики, работ, как перенос в геном человека генов резистентности к радиации от тихоходок или употребление космонавтами тяжелой воды, возникает вопрос — а зачем такие сложности? Не проще ли построить хорошо защищенный космический корабль?
Теоретически — да, проще. Выше мы уже говорили, что слой всего в 12 сантиметров воды или его эквивалент способен эффективно защитить космонавтов от солнечной активности. Однако для блокирования космических лучей потребуется броня потяжелее: как минимум несколько метров воды по всему периметру корабля или эквивалент в металле. Это огромный вес. А, например, чтобы вывести одну тонну груза только на геопереходную орбиту, сейчас необходимо затратить от 7,5 до 9,8 миллионов долларов. Да и вообще в условиях современного развития космонавтики и ее ближайших перспективах настолько большие и тяжелые космические корабли создать сложно. Поэтому вполне логично попытаться подойти к решению проблемы с другого бока.
Опять же, если колонисты будут жить на Марсе достаточно продолжительное время, то даже мощное бронирование корабля или цистерны с водой никак их не защитят. Космонавтам придется много и активно бродить по поверхности планеты, выполнять научные и хозяйственные работы. При этом магнитное поле на Марсе в 500 раз слабее земного, а это значит, что никакой естественной защиты на Красной планете для людей нет.
Исходя из этого, наиболее разумным подходом видится использование достижений современных биотехнологий для «улучшения» природы человека, тем более, что космические разработки дадут и мощный толчок в развитии антиэйджинговой терапии, радиомедицине и в других вполне «земных» отраслях. Коллаборация сразу 29 крупных институций, включая не только российские, но и NASA, Европейское космическое агентство и т. д., дает шанс получить ученым неплохое финансирование своих разработок. Но для начала их необходимо эффектно презентовать и популярно объяснить суть будущих исследований грантодателям, для чего и служит программный манифест.
В подготовке материала принимали участие Мария Комарова (МФТИ) и Нелла Ласина
От редакции «Чердака»: Мы задержали выход этого материала на сутки в связи с вновь открывшимися в процессе фактчекинга обстоятельствами. Журнал, где была опубликована работа ученых — Oncotarget — в конце октября 2017 года исключили из библиографической базы данных MEDLINE (Medical Literature Analysis and Retrieval System Online). А в 2018 году Oncotarget перестали индексировать такие платформы, как Web of Science и Journal Citation Reports. В беседе с журналистами Retraction Watch представитель компании-владельца платформ сказала, что Oncotarget «более не соответствует необходимым стандартам».
Однако после консультаций со внешними экспертами и упомянутыми в статье учеными мы решили далее не откладывать выход материала, так как место публикации научной статьи в данном случае не компрометирует ее содержание, а тем более производные от нее журналистские материалы. Кроме того, авторы прислали свою рукопись в редакцию журнала до его деиндексации Web of Science, а само место публикации было выбрано в связи с требованием авторов полностью опубликовать список ссылок на использованные ими источники (их более 300). На это согласилась только редакция Oncotarget. Тем не менее мы сочли необходимым уведомить наших читателей о сложившейся ситуации.
https://chrdk.ru/other/radiorezistentnost-v-massy
Голосование