НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА «Обоснование и экспериментальная оценка основных технологических

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
«Обоснование и экспериментальная оценка основных технологических
стадий получения пробиотика на борту МКС»
Шифр «Пробиовит»
1 Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние
вопроса
Проблема профилактики возникновения инфекций у космонавтов на
этапе подготовки и осуществления космического полета приобретает все
большее звучание в свете принятых в последнее время решений о
проведении возможных длительных космических экспедиций, выполнение
которых потребует максимального нервно-эмоционального напряжения со
стороны членов экипажа космического корабля. В свою очередь, длительное
нахождение человека в условиях герметичного замкнутого пространства (а
рабочий объем космического корабля по сути, представляет из себя
герметично замкнутое пространство – ГЗП) является одним из факторов,
вызывающих стрессовое состояние в организме человека и провоцирующих
возникновение хронических рецидивирующих инфекций, аллергических
заболеваний, функциональных кишечных расстройств и т.д. И как было
показано в ряде работ, первопричиной всех этих неблагоприятных
проявлений является нарушение микроэкологии, то есть изменения в
количественном и качественном составе, населяющих организм человека
микроорганизмов.
Так по данным авторов по завершении 8-ми суточного космического
полета количество условно-патогенных микроорганизмов в организме
космонавтов возрастало в сотни и тысячи раз, в то же время в желудочнокишечном тракте (ЖКТ) наблюдалось полное исчезновение штаммов
бифидобактерий и лактобацилл, штаммов, которые являются препятствием
на пути распространения условно-патогенной микрофлоры, а также
предохраняют человека от различного вида заболеваний желудочнокишечного тракта (гастритов, дуоденитов и т.д.).
Для поддержания микробиологического статуса у людей, находящихся
длительное время в неоптимальных условиях ГЗП рекомендуется
использовать метод «микробной интервенции». Суть метода заключается в
следующем: для нормализации состояния микробиоценоза кишечника
осуществляется принудительный прием препаратов бифидумбактерин либо
лактобактерин.
Причем, использование пробиотического препарата оказывает на
организм множественное
влияние, отражающее
не только местное
воздействие на участок слизистой, контактирующий непосредственно с
пробиотическими микроорганизмами, но и оказывает влияние на общее
состояние организма, выражающееся в усилении общего (систематического)
иммунитета, а не исчерпывается параметрами, используемыми при оценке
пробиотического потенциала и указанными выше.
Помимо угрозы возникновения инфекционных заболеваний, вызванных
воздействием микроорганизмов, относящихся к экзогенной и эндогенной
микрофлоре,
организм человека, длительное время
находящегося в
условиях космического полета, подвергается также прямому воздействию
ионизирующего излучения, вызванного космическими лучами. Результатом
такого воздействия могут явиться мутации, ведущие к сдвигам в
генетическом аппарате клеток организма и, как следствие, к изменению
нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после
облучения. В связи с этим, обоснованным представляется поиск веществ,
проявляющих антимутагенную активность. Среди таких веществ особый
интерес представляют живые культуры некоторых штаммов молочнокислых
бактерий. Как показано в ряде работ, в результате проверки антимутагенной
активности более 70 штаммов молочнокислых бактерий, относящихся к
родам Lactobacillus, Streptococcus, Lactococcus и Bifidobacterium было
показано, что: антимутагенная активность наиболее ярко проявляется у
клеток Lactobacillus acidophilus, находящихся в активном физиологическом
состоянии (в виде кисломолочного продукта).
В рамках выполнения КЭ «Биоэмульсия» в период с 2007 г. по
2012г. была показана принципиальная возможность получения на борту МКС
кисломолочного продукта, обладающего необходимыми пробиотическими
свойствами: биологической активностью, антагонизмом к условно
патогенным
и
патогенным
микроорганизмам,
способностью
к
кислотообразованию и антибиотикоустойчивостью.
Эксперименты
проводились
с
использованием
биореактора
«Биоэмульсия» и гибридизатора «Рекомб-К».
Однако, использование в КЭ вышеуказанной аппаратуры предполагает
проведение всех операций по загрузке ее компонентами питательной среды и
посевного материала в земных условиях, а все манипуляции на борту МКС
проводятся без вскрытия аппаратуры.
Данная технология не позволяет осуществлять вскрытие аппаратуры в
условиях микрогравитации, что исключает саму возможность выгрузки
готового кисломолочного продукта на борту МКС и последующее
использование его в качестве лечебно-профилактического напитка на борту
пилотируемого космического корабля.
2 Необходимость проведения КЭ в условиях космического полета
Принимая во внимание все вышеизложенное, становится очевидным,
что для поддержания здоровья космонавтов, находящихся длительное время
в неоптимальных условиях жизнеобитания, необходимо иметь на борту
2
корабля препарат, выполняющий роль общеукрепляющего средства и
позволяющий снизить последствия негативного воздействия как со стороны
окружающей среды, в первую очередь со стороны витающей в отсеках
корабля экзогенной микрофлоры, так и со стороны эндогенной (внутри
кишечной) микрофлоры. И, по-видимому, в качестве такого препарата
может быть предложен пробиотик, как препарат, оказывающий комплексное
действие на организм человека. В то же время, учитывая приведенные выше
литературные данные о более высоком пробиотическом потенциале
препаратов, содержащих живые клетки микроорганизмов, на повестку дня
был поставлен вопрос об изучении возможности получения пробиотического
препарата, содержащего физиологически активные клетки микроорганизмов
непосредственно на борту МКС силами экипажа. Необходимость разработки
технологии получения на борту космического корабля кисломолочного
биологически активного пробиотика диктуется также тем, что при
осуществлении длительных космических экспедиций исключается
возможность периодической доставки на борт корабля биологически
активного пробиотического препарата.
3 Описание КЭ
3.1 Порядок проведения КЭ
Технически проведение эксперимента может быть реализовано
следующим образом:
1) На Земле готовятся:
- посевной материал (сублимационно сформированные пористые
таблетки пробиотика «Витафлор», включающего в себя 2 симбиотических
штамма лактобактерий (Lactobacillus acidophilus);
- питательная среда для получения на борту МКС кисломолочного
продукта (сублимационно высушенное питьевое молоко с последующим его
измельчением для получения сухого порошка);
- формируется емкость (пакет, укомплектованный питательной средой
и посевным материалом в оптимальном соотношении) и укладывается в
контейнер для последующей отправки на борт МКС. Пакет должен быть
оснащен клапаном, исключающим несанкционированный выход сухих
компонентов из пакета в процессе заполнения его водой в условиях
микрогравитации;
2) Транспортировка укладки на полигон при температуре +6±20С.
3) Доставка укладки на РС МКС при температуре окружающей среды.
4) Размещение укладки на хранение до начала сеанса КЭ при
температуре окружающей среды (в отсеке РС).
5) Реализация КЭ желательно за 5-10 дней до спуска укладки
«Пробиовит» на Землю:
- перенос укладки с места хранения, извлечение из укладки пакета с
сухим полупродуктом, заполнение пакета требуемым количеством питьевой
воды;
3
- перемешивание клеточной суспензии посредством неоднократного
резкого встряхивания пакета с регидраторованным порошком;
- перенос пакета с регидратированной суспензией в бортовой термостат,
установленный на температуру +37 0С на 24 часа;
- извлечение пакета с готовым кисломолочным продуктом из термостата
и помещение его в бортовой холодильник для хранения его при температуре
+6±20С до момента возвращения на Землю;
- извлечение пакета с кисломолочным продуктом из холодильника,
помещение его в укладку для отправки на Землю.
6) Доставка укладки в спускаемом аппарате на Землю при температуре
окружающей среды.
7) Доставка укладки в наземную лабораторию при температуре +6±20С.
3.2 Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ
3.2.1 Для реализации КЭ «Пробиовит» необходимо
выполнить
наземную отработку эксперимента, основные задачи которой:
- подбор упаковочной тары (пакета с впускным клапаном) для
загрузки сухого полуфабриката и обратной транспортировки в нем
полученного кисломолочного продукта;
- подбор
концентрации
посевного
материала
(пробиотика
«Витафлор») и количества сухой питательной среды (порошка
сублимационно высушенного и измельченного молока).
3.2.2 Реализацию сеанса КЭ желательно осуществлять не раньше чем
за 5-10 дней до спуска укладки «Пробиовит» на Землю. Полученный в
результате эксперимента готовый кисломолочный продукт хранить в
бортовом холодильнике при температуре +6 ± 2 0С до отправки его на Землю.
3.3 Технические особенности НА
Конструкция аппаратуры «Пробиовит» должна состоять из контейнера,
укомплектованного емкостью (пакетом) с сухим полупродуктом.
Аппаратура должна предусматривать возможность дезинфекционной
обработки всех внешних поверхностей и отвечать требованиям по
герметичности.
4 Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с
аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
Данные о сохранности пробиотических свойств выращенного на борту
МКС кисломолочного продукта под воздействием факторов космического
полета, на которых основана постановка задач КЭ, оригинальны. Работ как
непосредственно по получению кисломолочного пробиотического продукта в
условиях орбитального космического полета, так и по отработке технологии
получения пробиотического продукта, обладающего иммунномодулирующими
свойствами, в условиях длительной автономной космической экспедиции, в
России и за рубежом не проводилось.
4
5 Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
5.1 Основными результатами КЭ будут следующие:
Данные о возможности получения на борту МКС образцов
кисломолочного пробиотического продукта по предлагаемой технологии.
Исходные данные по отработке в условиях микрогравитации простой и
удобной в случае использования ее на борту пилотируемого космического
корабля технологии, позволяющей гарантированно получать кисломолочный
продукт с высоким пробиотическим потенциалом.
5.2 Результаты предполагается использовать для последующего
рассмотрения данной технологии, а также непосредственно полученный при
ее осуществлении кисломолочный продукт в качестве штатных при
осуществлении длительных космических полетов (Марс, Луна).
6 Обоснование технической возможности создания НА с заданными
характеристиками
Возможность
создания
аппаратуры
для
КЭ
«Пробиовит»
обосновывается поставляемыми на борт РС МКС образцами пакетов с
сублимированными продуктами, в последующем регидратируемыми
космонавтами в условиях микрогравитации.
7 Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с
КЭ
7.1 Проведение эксперимента на борту МКС не должно создавать
опасных ситуаций для экипажа и МКС. На всю аппаратуру для проведения
КЭ, включая биопрепараты, доставляемую на МКС, должны быть
оформлены сертификаты по безопасности.
Список цитируемой литературы
1. Ильин В.К., Воложин А.И., Виха Г.В. //.Колонизационная
резистентность организма в измененных условиях обитания. - Отв. ред.
Гальченко В.Ф.; Ин-т Медико-биологических проблем. – М.: Hаука - 2005. –
276 с.
2. Плужников М.С., Петров Л.Н., Петров Н.Л. Теоретические основы
для использования пробиотиков в лечении воспалительных заболеваний
ЛОР. // Folia Otorhinolaryngologica. – 2004. - V. 10 ( 3-4 ). - P. 41 – 47.
3. NATO ASI Series. Vol. H 98. Lactic Acid Bacteria: Current Advances in
Metabolism, Genetics and Applications. – Edited by F. Bozoglu and B. Ray:
Springer, Berlin, 1996. – P. 1 – 136.
4. S.C.Ng, A.L.Hart, M.A.Kamm. Mechanisms of Action of Probiotics:
Recent Advances. // Inflamm. Bowel Dis., 2009, - V.15 ( 2 ), - P. 300 – 309.
5. Хорошилова Н.В. Иммуномоделирующее и лечебное действие
пробиотиков. // Иммунология. – 2003. - № 6. – С. 352 – 356.
5
6. Саенко А., Демыгина Е. Влияние малых доз радиации на
устойчивость биологических систем. // В мире науки. – 2006. - № 4. – С. 78 –
81.
7. Барабой В.А. Популярная радиобиология. – Киев: Наукова думка,
1988. - С. 189.
8. Паркер Ю. Как защитить космических путешественников. // В мире
науки, 2006, - 6.- С. 15 – 20.
9. Воробьева Л.И., Абилев С.К. Антимутагенные свойства бактерий (
обзор ). // Прикладная биохимия и микробиология. – 2002. – Т. 38. - № 2. – С.
115 – 127.
10. Bodana A.R., Rao D.R. Antimutagenic Activity of Milk Fermented by
Streptococcus thermophilus and Lactobacillus bulgaricus. // J. Dairy Sci. – 1990. –
V. 73. – P. 3379 – 3384.
11. Nadathur S.R., Gould S.J., Bakalinsky A.T. Antimutagenicity of
Fermented Milk. // J. Dairy Sci. – 1994. – V. 77. - P. 3287 – 3295.
12. Matar Ch., Nadathur S.S. Antimutagenic Effects of Milk Fermented by
Lactobacillus helveticus L 89 and a Protease-Deficient Derivative. // J. Dairy Sci. –
1997. – V. 80. – P. 1965 – 1970.
13. Hosoda M., Hashimoto H. Antimutagenicity of Milk Cultured with
Lactic Acid Bacteria Against N-Methyl-N-Nitro-N-Nitrosoguanidine. // J. Dairy
Sci. – 1992. – V. 75. – P. 976 – 981.
14. Воробьев А.А., Гершанович М.Л., Петров Л.Н. Предпосылки и
перспективы
применения
пробиотиков
в
комплексной
терапии
онкологических больных. // Вопросы онкологии. – 2004. – Т.50. - № 3. – С.
361 – 364.
15. Гершанович М.Л., Петров Л.Н., Добрица В.П. Способ лечения
MALT – лимфом желудка. – Патент РФ № 2269353, заявка № 2004117585 от
10 июня 2004 г., зарегистрировано 10 февраля 2006 г.
16. Мельникова И.Ю., Волова Л.Г., Аверкина Е.А., Солдаткин Э.В.,
Петров Л.Н. Опыт применения препарата « Витафлор » у детей с
заболеваниями ЖКТ. // Русский журнал ВИЧ/СПИД и родственные
проблемы. – 1999. – Т. 3. - № 1. – С. 118.
17. Мельникова И.Ю., Рябчук В.Н., Петров Л.Н., Вербицкая Н.Б.
Теоретические предпосылки и практика клинического применения
пробиотика « Витафлор » в педиатрии. Методическое пособие для врачей. –
СПб. - 2004. – С. 37.
18. Мельникова И.Ю., Н.А., Петров Л.Н., Вербицкая Н.Б., Добролеж
О.В., Кобатов А.И., Добрица В.П. Способ лечения воспалительных
заболеваний желудочно-кишечного тракта, ассоциированных с Helicobacter
pylori. Патент
РФ № 2278682, заявка № 2004112589 от 27.04.04,
зарегистрировано 27.06.06.
19. Яременко А.И., Виноградов С.Ю., Артеменко К.Л., Комарова Т.А.,
Ионье С.Я. Первый опыт применения пробиотика «Витафлор» в
6
стоматологической практике // Пародонтология. – 2004. - № 2 ( 31 ). – С. 63 –
66.
20. Михайлова Л.Е., Кохреидзе Н.А., Шамардина Н.М., Петров Л.Н.
Опыт использования препарата « Витафлор » в лечении вульвовагинитов у
детей. // Русский журнал ВИЧ/СПИД и родственные проблемы. – 1999. – Т. 3.
- № 1. – С. 118 – 119.
21. Рябчук Ф.Н., Петров Л.Н., Вербицкая Н.Б. Место пробиотика «
Витафлор » в системном подходе к лечению рецидивирующих заболеваний у
детей. – Сб. материалов международной конференции. – М., - 2-4 июня 2004.
– С. 76.
22. Гершанович М.Л., Петров Л.Н., Добрица В.П., Калиновский В.П.,
Никитина М.В. Способ лечения МАLТ-лимфомы желудка путем эрадикации
Helicobacter pylori Витафлором. // Вопросы онкологии- Tом 52 - № 6.
23. Кобатов А.И., Вербицкая Н.Б., Добролеж О.В., Петров Л.Н.
Пробиотик «Витафлор» как возможное средство защиты космонавтов от
негативных последствий воздействия ионизирующего излучения. //
Медицина экстремальных ситуаций, 2007, № 2 ( 20 ), с. 72-79.
24. Кобатов А.И., Вербицкая Н.Б., Добролеж О.В., Петров Л.Н.
Оптимизация процесса культивирования пробиотических бактерий L.
acidophilus в условиях космического полета. – Медицина экстремальных
ситуаций, 2010, № 4 ( 34 ), с. 77-86.
7