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