Рассмотрены механизмы нарушения внутриглазной гидродинамики и их потенциальная роль в развитии SANS. Приведены результаты исследований гидродинамики глаза в условиях моделируемой невесомости.

Введение

Один из государственных приоритетов Российской Федерации в области космической деятельности – осуществление пилотируемых полётов к планетам и другим телам Солнечной системы. США, страны Европейского союза, Япония и Китай также нацелены на освоение Луны и Марса в ближайшей перспективе. Американское, Европейское и Японское космические агентства объединили свои усилия в этом направлении и с 2020 года ведут активную совместную работу. До 2024 года в рамках проекта Artemis они планируют осуществить пилотируемую миссию на Луну, подготовить плацдарм для изучения Марса и дальнего космоса. Реализация столь масштабных космических проектов сопряжена с многочисленными медико-биологическими рисками [ 1 ].

С появлением высокоточной диагностической аппаратуры, позволяющей регистрировать состояние глазного дна во время космического полёта, у 30% обследуемых были обнаружены структурные дефекты в зоне диска зрительного нерва и сетчатки глаза.

Несмотря на то, что влияние факторов космического полёта на организм человека изучается в нашей стране и за рубежом уже достаточно давно, в отдельных областях космической медицины остаются нерешённые вопросы. Одной из таких малоизученных областей является офтальмология. Традиционные офтальмологические методы, применявшиеся для обследования космонавтов на рубеже XX и XXI столетий, не выявляли у них значимых нарушений зрительных функций: остроты зрения, контрастной и цветовой чувствительности, состояния внутриглазного давления, оптических структур глаза (рис. 1). После орбитального космического полёта значения этих показателей не выходили за пределы клинической нормы.

Рис. 1. Компьютерная томография зрительного нерва и сетчатки

Однако с появлением высокоточной диагностической аппаратуры, позволяющей регистрировать состояние глазного дна во время космического полёта, у 30% обследуемых были обнаружены структурные дефекты в зоне диска зрительного нерва и сетчатки глаза, не влияющие на зрительную работоспособность в среднесрочной перспективе (от полугода до года). Это состояние получило название «космический нейроокулярный синдром» (SANS).

В связи с высокой распространеённостью и отсутствием информации о долгосрочной динамике развития SANS данный синдром рассматривается зарубежными учёными в качестве медицинского риска длительного космического полёта (ДКП). В настоящее время этиология SANS активно изучается интернациональной группой офтальмологов на международной космической станции (МКС) и в наземных модельных экспериментах. Определение чётких диагностических критериев SANS, методов его профилактики и реабилитации позволит минимизировать риск SANS до допустимого уровня при межпланетных космических миссиях.

Ещё одним предметом для дискуссий остаётся вопрос о степени повреждения зрительной системы космической радиацией. Насколько критичны эти повреждения для сохранения высокой зрительной работоспособности членов экипажа за пределами низкой околоземной орбиты (НОО) и к каким отдалённым последствиям они могут привести? Требуется ли разработка специальных средств защиты органа зрения за пределами НОО или можно обойтись существующими? Для ответа на эти и другие вопросы необходимо рассмотреть влияние факторов ДКП на зрительный анализатор и оценить связанные с ними медицинские риски.

Определение чётких диагностических критериев космического нейроокулярного синдрома, методов его профилактики и реабилитации позволит минимизировать его риск до допустимого уровня при межпланетных космических миссиях.

Радиация

Многочисленные исследования показали, что наибольшую опасность ионизирующее излучение представляет для активно делящихся клеток организма (кроветворных, эпителиальных, репродуктивных). Большая часть зрительной системы представлена неделящимися клетками (нервными, ганглиозными, фоторецепторными) или неклеточными структурами (стекловидное тело, водянистая влага).

Однако хрусталик – главная линза оптической системы глаза – покрыт эпителием, продолжающим делиться на протяжении всей жизни человека. Благодаря наличию этого пролиферирующего эпителия хрусталик обладает высокой радиационной чувствительностью и относится к числу критических органов при определении допустимой дозы радиационного воздействия. В зависимости от дозы излучения, его вида и продолжительности воздействия повреждения хрусталика могут варьироваться от мутаций или гибели отдельных эпителиальных клеток до формирования лучевой катаракты [ 2 ].

Лучевая катаракта представляет собой помутнение хрусталика, проходящее в своём развитии четыре стадии. Этот процесс может продолжаться от нескольких недель до полутора лет (в зависимости от полученной дозы облучения). Его результатом является выраженное нарушение зрения и, как следствие, снижение работоспособности и профессиональной надёжности космонавта.

Способность больших доз рентгеновского излучения, гамма-лучей и нейтронов вызывать катаракту активно изучалась в 70–90-х годах прошлого века. Многочисленные опыты на животных, результаты наблюдений за жертвами ядерных бомбардировок, ликвидаторами техногенных катастроф и жителями районов, подвергшихся радиоактивному загрязнению, позволили определить предельные эквивалентные дозы облучения для хрусталика. По мере накопления новых данных и совершенствования средств защиты от радиации предельные дозы регулярно пересматривались и корректировались в сторону уменьшения [ 3 ].

С учётом существующих средств защиты от космической радиации и действующих нормативов радиационной безопасности максимальная продолжительность космической миссии, по мнению специалистов, не должна превышать два-три года. При выполнении более продолжительных космических полётов за пределами НОО или осуществлении напланетных миссий возрастёт риск развития лучевых повреждений хрусталика, снижения работоспособности членов экипажа и ухудшения их здоровья к концу профессиональной деятельности [ 2 ]. Более высокие дозы радиации могут поражать не только хрусталик, но и другие структуры глаза, включая сетчатку.

Выбор оптимальных сочетаний спектрально-энергетических характеристик источников света и физиологичных режимов освещения позволит снизить риск развития негативных изменений зрительного анализатора в длительном космическом полёте.

Гипомагнитная среда и искусственное электромагнитное излучение

По мере увеличения дальности космических полётов экипажи пилотируемых миссий столкнутся с всё более и более выраженным ослаблением геомагнитного поля (ГМП). На околоземной орбите ослабление ГМП составляет всего 20-30% по сравнению с магнитным полем на уровне земной поверхности. За пределами НОО это ослабление возрастёт в десятки и сотни раз [ 4 ].

В наземных исследованиях установлено, что при ослаблении ГМП в 100-500 раз наблюдаются признаки дисбаланса в центральной нервной системе с преобладанием эффектов торможения и регуляторной межполушарной асимметрией. Угнетение когнитивных функций выражается в росте количества ошибок, замедлении выполнения тестовых заданий и возрастании амплитуды физиологического тремора. Отмечаются снижение зрительной работоспособности, замедление зрительно-моторной реакции и нарушения цветовосприятия. У мужчин может ухудшаться кратковременная цветовая память [ 5 ].

На окололунной орбите и в более удалённых областях космоса ГМП практически перестаёт действовать на человека, но внутреннее оборудование космического корабля само является источником электромагнитного излучения. Некоторые авторы полагают, что в условиях длительного космического полёта это излучение может представлять даже большую опасность для здоровья космонавтов, чем гипомагнитная среда [ 5 ].

Одним из наиболее важных источников искусственного электромагнитного излучения является система освещения. Для поддержания высокой работоспособности космонавта и сохранения его здоровья необходимо соблюдать баланс уровней освещённости. Низкий уровень освещённости затрудняет выполнение многих операторских задач и ускоряет развитие зрительного утомления. Продолжительное нахождение в условиях низкой освещённости угнетающе воздействует на психоэмоциональное состояние вплоть до развития депрессии. Высокий уровень освещённости, напротив, повышает работоспособность и оказывает бодрящее действие, но может привести к развитию фототоксического повреждения сетчатки.

Выраженность перечисленных эффектов в значительной степени зависит от спектрального состава света. Чем больше в спектре коротковолнового излучения, тем выше его стимулирующее и фототоксическое действие. Длинноволновое излучение, наоборот, безопаснее для глаз, но может негативно повлиять на работоспособность. Выбор оптимальных сочетаний спектрально-энергетических характеристик источников света и физиологичных режимов освещения позволит снизить риск развития негативных изменений зрительного анализатора в ДКП.

Исследование механизмов развития космического нейроокулярного синдрома представляет интерес не только для космической медицины, но также может пролить свет на этиологию и патогенез таких распространённых глазных заболеваний, как глаукома и дистрофия сетчатки.

Невесомость

В период адаптации к невесомости происходит объёмное перераспределение жидких сред организма, что проявляется одутловатостью лица и шеи, хемозом (отёком) конъюнктивы, увеличением кровенаполнения вен верхней половины тела, шеи и головы. Изменение центральной гемодинамики может провоцировать повышение внутричерепного давления (ВЧД) [ 1, 6 ].

В ходе расширенных диагностических программ, выполнявшихся на борту МКС (VIIP, Ocular Health, Fluid Shifts), была выдвинута гипотеза, объясняющая развитие офтальмологических изменений повышенным ВЧД. По данным НАСА, после космического полёта длительностью не менее 14 суток некоторые астронавты испытывали симптомы повышенного ВЧД. У 30% всех астронавтов были обнаружены изменения глазного дна по данным оптической когерентной томографии сетчатки. Эти изменения объединяют под названием SANS. Симптомы SANS проявляются с разной частотой и интенсивностью:

• отёк диска зрительного нерва (у 37,5% обследованных, из них в 16% отмечался выраженный отёк);
• деформация «складки» сосудистой оболочки глаза (в 23% случаев);
• деформация глазного яблока – «сплющивание» (в 21% случаев);
• локальные экссудаты сетчатки – «ватные» очаги (в 15% случаев);
• изменение рефракции глаза в сторону дальнозоркости (в 19% случаев).

Вопрос патогенеза SANS остаётся открытым. В качестве наиболее вероятного механизма его возникновения рассматривается гипотеза о нарушении градиента давления в зоне выхода зрительного нерва из орбиты глаза, обусловленное внутричерепной гипертензией, с одной стороны, и колебаниями внутриглазного давления (ВГД) – с другой [1, 6].

Результаты наземных модельных исследований указывают на то, что повышение ВГД, регистрировавшееся у космонавтов в первые часы полёта [ 6 ], довольно быстро сменяется его снижением за счёт включения регуляторных механизмов. Экспериментальной моделью невесомости в этих исследованиях являлась «сухая» иммерсия, поскольку она вызывает сходное с невесомостью перераспределение гемодинамики и изменение водного баланса организма.

Рис. 2. Исследование внутриглазной гидродинамики

В условиях «сухой» иммерсии практически у всех обследуемых отмечалось увеличение диуреза и снижение потребления жидкости, что приводило к развитию компенсаторной гипогидратации. На фоне гипогидратации, развившейся после пятисуточного пребывания в условиях «сухой» иммерсии, у 60% обследуемых было выявлено снижение коэффициента скорости продукции внутриглазной жидкости. Значение трофического коэффициента при этом также снизилось и в 30% случаев достигло клинически значимого уровня.

После 21-суточного иммерсионного воздействия дисбаланс показателей глазной гидродинамики отмечался в 80% случаев. Клинически значимое изменение ВГД регистрировалось в 25% случаев (рис. 2). Колебания ВГД, скорости продукции и оттока внутриглазной жидкости, сопровождающиеся изменением трофического гомеостаза глаза, могут расцениваться как негативные, провоцирующие факторы в патогенезе SANS [ 7 ].

В качестве средства профилактики SANS тестировался костюм отрицательного давления на нижнюю часть тела «Чибис-М», который позволяет нивелировать негативные эффекты, связанные с перераспределением крови в краниальном направлении. Однако результаты не подтвердили его эффективность. Другие пассивные средства профилактики («Браслет-М», костюм «Пингвин», миостимуляторы) применительно к SANS пока не испытывались [ 8 ].

Рис. 3. Комплексная оценка зрительной системы

Заключение

Космические полёты за пределами НОО сопряжены с риском развития патологических изменений зрительной системы и, как следствие, со снижением профессиональной надёжности космонавтов и потенциальным вредом для их здоровья. Существующие средства защиты и профилактики с высокой вероятностью позволят избежать развития у членов экипажа тяжёлой глазной патологии, такой как лучевая катаракта, при максимальной продолжительности полёта до трёх лет. Этого времени достаточно для осуществления пилотируемого полёта к Марсу и обратно. Более продолжительные пилотируемые миссии за пределами НОО потребуют дополнительного комплекса мер защиты органа зрения от радиации.

Риск развития офтальмологической патологии в ДКП не ограничивается только лучевыми поражениями глаз. Нельзя полностью исключить возможность негативного влияния на зрительный анализатор гипомагнитной среды, искусственного освещения и электромагнитного излучения бортового оборудования.

Структурные дефекты сетчатки глаза, известные под названием космического нейроокулярного синдрома, могут быть обусловлены изменениями внутриглазной гидродинамики в условиях невесомости. На это указывают результаты наземных экспериментов, моделирующих пребывание человека в безопорной среде.

Результаты исследований механизмов развития SANS представляют интерес не только для космической медицины, но также могут пролить свет на этиологию и патогенез таких распространённых глазных заболеваний, как глаукома и дистрофия сетчатки.

Поддержано базовым финансированием РАН (темы №63.1 и 63.2).

Литература

1. Уйба В. В., Ушаков И. Б., Сапецкий А. О. Медико-биологические риски, связанные с выполнением дальних космических полётов // Медицина экстремальных ситуаций. 2017. № 1(59). С. 43-64.
2. Шафиркин А. В., Григорьев Ю. Г. Межпланетные и орбитальные космические полёты. Радиационный риск для космонавтов (радиобиологическое обоснование). М.: Экономика, 2009. 639 с.
3. Ушаков И. Б., Григорьев Ю. Г., Шафиркин А. В., Шуршаков В. А. Обоснование пределов доз к новому нормативному документу по радиационной безопасности длительных космических полётов на орбитах высотой до 500 км // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2016. Т. 50. №1. С. 39-54.
4. Труханов К. А., Гурьева Т. С., Дадашева О. А., Круглов О. С., Лебедев В. М., Спасский А. В. Эмбриогенез японского перепела в гипомагнитных условиях применительно к дальним космическим полётам // Радиационная биология. Радиоэкология. 2014. Т. 54. №2. С. 179-185.
5. Артамонов А. А., Карташова М. К., Плотников Е. В., Константинова Н. А. Гипомагнитные условия: способы моделирования и оценка воздействия // Медицина экстремальных состояний. 2019. №21(3). С. 357-370.
6. Валях М. А., Баева Н. Г. Изменения зрительного анализатора, происходящие в результате космического полёта // РМЖ «Клиническая офтальмология». 2019. Т. 19. №1. С. 27-30.
7. Манько О. М., Смолеевский А. Е., Томиловская Е. С. Изменение гидродинамики глаза как фактор патогенеза космического нейроокулярного синдрома (SANS) // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2021. Т. 55. №1. С. 38-45.
8. Фомина Е. В., Сенаторова Н. А., Кириченко В. В., Вагнер И. В. МКС – платформа для разработки системы профилактики гипогравитационных нарушений в межпланетных миссиях // Воздушно-космическая сфера. 2020. №4. С. 8-17.

References

1. Ujba V. V., Ushakov I. B., Sapeckij A. O. Mediko-biologicheskie riski, svjazannye s vypolneniem dal'nih kosmicheskih poletov. Medicina ekstremal'nyh situacij, 2017, no. 1(59). pp. 43-64.
2. Shafirkin A. V., Grigor'ev Ju.G. Mezhplanetnye i orbital'nye kosmicheskie polety. Radiacionnyj risk dlja kosmonavtov (radiobiologicheskoe obosnovanie). Moscow, Ekonomika, 2009. 639 p.
3. Ushakov I. B., Grigor'ev Ju.G., Shafirkin A. V., Shurshakov V. A. Obosnovanie predelov doz k novomu normativnomu dokumentu po radiacionnoj bezopasnosti dlitel'nyh kosmicheskih poletov na orbitah vysotoj do 500 km. Aviakosmicheskaja i ekologicheskaja medicina., 2016, vol. 50, no. 1, pp. 39-54.
4. Truhanov K. A., Gur'eva T. S., Dadasheva O. A., Kruglov O. S., Lebedev V. M., Spasskij A. V. Jembriogenez japonskogo perepela v gipomagnitnyh uslovijah primenitel'no k dal'nim kosmicheskim poletam. Radiacionnaja biologija. Radiojekologija, 2014, vol. 54, no. 2, pp. 179-185.
5. Artamonov A. A., Kartashova M. K., Plotnikov E. V., Konstantinova N. A. Gipomagnitnye uslovija: sposoby modelirovanija i ocenka vozdejstvija. Medicina ekstremal'nyh sostojanij, 2019, no. 21(3), pp. 357-370.
6. Valjah M. A., Baeva N. G. Izmenenija zritel'nogo analizatora, proishodjashhie v rezul'tate kosmicheskogo poleta. RMZh „Klinicheskaja oftal'mologija“, 2019, vol. 19, no. 1, pp. 27-30.
7. Man'ko O. M., Smoleevskij A. E., Tomilovskaja E. S. Izmenenie gidrodinamiki glaza kak faktor patogeneza kosmicheskogo nejrookuljarnogo sindroma (SANS). Aviakosmicheskaja i ekologicheskaja medicina, 2021, vol. 55, no. 1, pp. 38-45.
8. Fomina E. V., Senatorova N. A., Kirichenko V. V., Vagner I. V. MKS – platforma dlja razrabotki sistemy profilaktiki gipogravitacionnyh narushenij v mezhplanetnyh missijah. Vozdushno-kosmicheskaja sfera, 2020, no. 4, pp. 8-17.

© Манько О. М., Смолеевский А. Е., 2021

История статьи:

Поступила в редакцию: 14.04.2021

Принята к публикации: 17.05. 2021

Модератор: Плетнер К. В.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования: Манько О. М., Смолеевский А. Е. Риски поражения зрительной системы в длительном космическом полёте // Воздушно-космическая сфера. 2021. №2. С. 34-41.