Ученые объявили войну космической радиации

Комикс про то, как ученые в борьбе с космической радиацией освоят Марс. 

В ней рассматривается несколько направлений для будущих исследований по защите космонавтов от облучения, включая лекарственную терапию, генную инженерию и технологию гибернации. Авторы также замечают, что радиация и старение убивают организм схожими методами, и предполагают, что способы борьбы с одним могут действовать и против другого. Статья с боевым девизом в названии Viva la radioresistance! («Да здравствует сопротивление радиации!») была опубликована в журнале Oncotarget.

«Ренессанс космонавтики, вероятно, приведет к первым человеческим миссиям на Марс и в глубокий космос. Но для выживания в условиях повышенной космической радиации людям придется стать более устойчивыми к внешним факторам. В этой статье мы предлагаем методологию достижения повышенной радиорезистентности, стрессоустойчивости и устойчивости к старению. В процессе работы над стратегией мы собрали ведущих ученых из России, а также из NASA, Европейского космического агентства, Канадского радиационного центра и более чем 25 других центров по всему миру. На Земле тоже пригодятся технологии радиорезистентности, особенно если «побочным эффектом» будет здоровое долголетие», – комментирует Александр Жаворонков, адъюнкт-профессор МФТИ.

2050 год. Человечество со всей серьезностью нацелилось колонизировать Марс. Однако некоторые существенные проблемы на пути к Красной планете до сих пор не решены

Например, во время полета человек попадет под влияние космической радиации

Это не позволит долететь космонавтам до Марса здоровыми и тем более вернуться обратно на Землю

Преодолеть этот барьер взялись ученые. Консорциум из 29 научных организаций, включающий МФТИ, составил стратегию по повышению радиорезистентности человека. Их план состоит из нескольких вариантов: 

Введения в организм космонавтов генов, повышающих радиорезистентность

Отбора для участия в миссиях самых устойчивых к радиации кандидатов

Гибернации на время полета для замедления всех процессов в организме

Разработки лекарств-радиопротекторов, повышающих защиту организма от излучения

Замены поврежденных клеток и органов при помощи регенеративной медицины и тканевой инженерии

Включения дейтериевой воды в рацион.

Свою стратегию ученые опубликовали под девизом Viva la radioresistance! ("Да здравствует сопротивление радиации!")

Мы сделаем так, чтобы радиация не препятствовала человечеству в покорении космоса и колонизации Марса. Благодаря ученым долетим до Красной планеты и будем устраивать там диско и жарить барбекю.

Космос против человека

«В космических масштабах наша планета – всего лишь 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, и астронавты и колонисты будут подвергаться постоянному воздействию потоков заряженных частиц с огромной энергией. Фактически космическое будущее человечества зависит от того, как мы преодолеем эту проблему», – делится заведующий отделом экспериментальной радиобиологии и радиационной медицины Федерального медицинского биофизического центра имени А. И. Бурназяна, профессор РАН, сотрудник лаборатории разработки инновационных лекарственных средств МФТИ Андреян Осипов.

Человек беззащитен перед опасностями космоса: солнечное облучение, галактические космические лучи, магнитные поля, радиоактивная среда Марса, радиационный пояс Земли, микрогравитация (невесомость). 

Человечество со всей серьезностью нацелилось колонизировать Марс – SpaceX обещает доставить человека на Красную планету уже в 2024 году, однако некоторые существенные проблемы до сих пор не решены. Так, одной из основных 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. Ученые предлагают объединить усилия и, используя последние достижения биотехнологий, повысить радиорезистентность человека, чтобы он мог покорять просторы глубокого космоса и колонизировать другие планеты.

Человеческая оборона

У организма есть способы защищаться от повреждений ДНК и восстанавливать их. На наше ДНК постоянно воздействует природная радиация, а также активные формы кислорода (АФК), которые образуются при нормальном клеточном дыхании. Но при починке ДНК, особенно в случае тяжелых повреждений, могут происходить ошибки. Накопление повреждений ДНК считается одной из главных причин старения, так что радиация и старение – схожие враги человечества. Однако клетки могут адаптироваться к облучению. Показано, что маленькая доза радиации может не только не навредить, но и подготовить клетки ко встрече с более высокими дозами. Сейчас международные стандарты радиационной защиты это не учитывают. Последние же исследования говорят о том, что существует некий порог радиации, ниже которого действует принцип «тяжело в учении – легко в бою». Авторы статьи считают, что нужно исследовать механизмы радиоадаптивности, чтобы взять их на вооружение.

Способы повышения радиорезистентности: 1) генная терапия, мультиплексная генная инженерия, экспериментальная эволюция; 2) биобанкинг, регенеративные технологии, инженерия тканей и органов, индуцированное обновление клеток, клеточная терапия; 3) радиопротекторы, геропротекторы, антиоксиданты; 4) гибернация; 5) дейтерированные органические компоненты; 6) медицинский отбор радиорезистентных людей. 

Заведующий лабораторией генетики продолжительности жизни и старения МФТИ, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук Алексей Москалев поясняет: «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). Однако в космосе люди столкнутся с более существенным и опасным диапазоном доз радиации. Нами накоплена большая база данных по геропротекторам. Полученные знания говорят о том, что многие из них функционируют по механизму активизации резервных возможностей, повышения стрессоустойчивости. Вполне вероятно, что подобная стимуляция поможет будущим колонизаторам космических просторов».

Инженерия космонавтов

Более того, 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 радиоадаптивности этих клеток. 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. Геномные отличия людей, менее подверженных раку и другим заболеваниям, связанным с облучением, можно в будущем выделить и «привить» космонавтам с помощью современных методов генной инженерии, таких как редактирование генома.

Есть несколько вариантов, какие гены нужно внести, чтобы повысить радиорезистентность. Во-первых, гены антиоксидантов помогут защитить клетки от активных форм кислорода, появляющихся в результате облучения. Несколько экспериментальных групп уже успешно попробовали снизить чувствительность к радиации с помощью таких трансгенов. Однако от прямого воздействия облучения этот способ не спасет, только от опосредованного.

Можно вносить 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.

Более перспективный метод – это использование радиозащитных трансгенов. Многие организмы (например тихоходки) обладают высокой степенью радиорезистентности, и если выяснить, какие гены и молекулярные механизмы за этим стоят, их можно перевести на людей с помощью генной терапии. Чтобы убить 50% тихоходок, нужна доза облучения, в 1000 превышающая смертельную 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.

Аптечка бойца

Лекарства, которые увеличивают радиационную защиту организма, называются «радиопротекторами». На сегодняшний день существует только один радиопротектор, одобренный 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. Согласно базам данных Geroprotectors.org и DrugAge, существует более 400 потенциальных геропротекторов. Авторы считают, что будет полезно рассмотреть существующие лекарства на наличие геро- и радиопротекторных свойств.

Так как ионизирующее облучение действует также через активные формы кислорода, справляться с радиацией могут помочь редокс-поглотители, или, проще говоря, 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.

Гипернация в гибернации

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 (англ. hibernation — «зимняя спячка») 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: понижению температуры, смертельным дозам облучения, перегрузкам и так далее. В СССР проект Марса был закрыт после смерти Сергея Королева. А в настоящее время Европейское космическое агентство работает над проектом «Аврора» по 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, а не популяцию «готовых» 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 артиллерия

Все органические соединения содержат углерод-водородные связи (С-Н). Однако можно синтезировать соединения, которые содержат вместо водорода дейтерий – более тяжелый аналог водорода. Из-за большей массы связи с дейтерием сложнее разорвать. Однако организм рассчитан на работу с водородом, поэтому если слишком много водорода заменить на дейтерий, это может привести к плохим последствиям. Было показано на разных организмах, что добавление дейтерированной воды увеличивает продолжительность жизни и оказывает противораковое действие, но больше 20% дейтерированной воды в рационе начинает оказывать токсическое действие. Авторы статьи 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 производства, то замена углерода может быть дополнительной защитой человека от космической радиации.

«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 авторов статьи есть ученые из ФМБЦ им. А. И. Бурназяна, ИМБП РАН, МФТИ и других всемирно известных 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».

Дизайнер Елена Хавина, пресс-служба МФТИ