Delayed effects of simulated space flight factors

В настоящее время в области космической медицины остро стоит проблема обеспечения безопасности экипажа длительных космических миссий за пределами околоземной орбиты, его защита от возможных экстремальных воздействий, а также предупреждения отдаленных последствий неблагоприятного влияния космической среды. Цель: смоделировать действия основных факторов космического полета (микрогравитации и ионизирующего излучения), проанализировать долгосрочные последствия (до 6 месяцев) и динамику развития обнаруженных изменений в организме экспериментальных животных. Методы: моделирование микрогравитации путем 2-недельного антиортостатического вывешивания (АОВ); моделирование космической радиации путем воздействия гамма-излучением в острой дозе 1,5 Гр; лазерная корреляционная спектроскопия; электрокардиография; подсчет лейкоцитарной формулы крови; определение уровня сывороточного кортикостерона. Долгосрочные эффекты облучения анализировали в течение 6 недель после воздействия, антиортостатического вывешивания - в течение 6 месяцев. Результаты: моделируемая микрогравитация привела к снижению иммунологической реактивности организма крыс, нарастанию продуктов клеточной деструкции в сыворотке крови. Субфракционный состав сыворотки крови после действия моделируемой микрогравитации полностью восстанавливался через 1 месяц, через 6 недель после облучения нормализации сывороточного гомеостаза не происходит. Моделируемые факторы космического полета привели к неспецифическим изменениям электрической проводимости миокарда, проявляющимся в отдаленный период реадаптации. В течение 2 недель после окончания АОВ наблюдали удлинение интервалов QT и QTc, через 2 и 3 месяца - укорочение среднего RR-интервала и увеличение частоты сердечных сокращений (ЧСС). Облучение в большей степени повлияло на состояние миокарда крыс, вызывая электрофизиологические нарушения, состоящие в снижении амплитуды зубца P, укорочении длительности R-зубца, удлинении среднего RR-интервала, и снижение ЧСС. Наблюдаемые сдвиги описаны в течение всех 6 недель эксперимента. В течение 3-6 недель регистрировали увеличение длительности интервала PQ, свидетельствующее о замедлении атриовентрикулярной проводимости. Небольшие нарушения сердечного ритма выявили в течение 6 недель после облучения. Уширение комплекса QRS, удлинение интервала QT и QTс наблюдали в течение месяца после воздействия. Таким образом, выявленные в работе эффекты моделируемых факторов космического полета показали, что большинство из них были обратимы, однако некоторые нарушения электрической проводимости миокарда носили долгосрочный характер. Заключение: изменения, происходящие в организме экспериментальных животных, при моделировании отдельных факторов космического полета, имеют долгосрочный характер. В связи с этим можно рекомендовать проводить скрининговые тесты и серии наблюдений за состоянием здоровья на протяжении всей жизни космонавтов и астронавтов для своевременного выявления возможных нарушений физиологических функций, возникающих в отдаленные периоды после окончания космических миссий. Метод лазерной корреляционной спектроскопии может быть использован в качестве дополнительного интегрального подхода к оценке долгосрочных последствий действия факторов космического полета. Currently, in the field of space medicine, there is an acute problem of ensuring crew safety during long-term space missions beyond near-earth orbit. The crew must be protected from potential extreme conditions, as well as preventing long-term consequences of adverse effects of the space environment. Objective: To simulate in rats responses to the main factors of space flight, i.e., microgravity and ionizing radiation; to analyze at 6 mos and at 6 wks the long-term consequences of exposure to these factors; to study the dynamics of the detected changes. Methods: Simulation of microgravity by 2-wk anti-orthostatic hanging (AOH); simulation of cosmic radiation by exposure to gamma radiation with an acute dose of 1.5 gy; laser correlation spectroscopy; electrocardiography; calculation of blood leukocytes; measurement of serum corticosterone. The long-term effects of radiation exposure were analyzed 6 wks after exposure, and the anti-orthostatic effects were analyzed at 6 mos. Results: Simulated microgravity led to a decrease in the immunological reactivity and an increase in the products of cellular destruction in the blood serum. The subfractional composition of the blood serum after simulated microgravity was completely restored at 1 mo, but at 6 wks after irradiation, normalization of serum homeostasis had not occurred. The simulated factors of space flight led to non-specific changes in myocardial electrical conductivity that were manifested during the long-term period of readaptation. Within 2 weeks after the end of AOH the QT and QTc intervals were lengthened, and after 2 and 3 mos, the average RR interval was shortened and the heart rate was increased. Irradiation had a greater effect on the myocardium, causing electrophysiological disorders, consisting of a decrease in the amplitude of the P-wave, a shortening of the duration of the R-wave, an elongation of the average RR interval, and a decrease in heart rate. These shifts occurred during all 6 wks of the experiment. During 3-6 wks, an increase in the duration of the PQ interval was recorded, indicating a slowing of atrioventricular conduction. Minor cardiac arrhythmias were detected within 6 wks after radiation exposure. Broadening of the QRS complex and prolongation of the QT and QTc intervals were observed within 1 mo after exposure. Thus, this study of the effects of simulated space flight factors showed that most effects were reversible, but some damage to myocardial electrical conductivity persisted. Conclusion: A rat model of individual factors of space flight showed that some resulting changes are prolonged. In this regard, it can be recommended that screening tests be conducted and that the health of astronauts be monitored throughout their life for timely detection of possible alterations of physiological functions that might occur during extended periods following space missions. Laser correlation spectroscopy can be used as an additional integral method for assessing the long-term effects of space flight factors.

Metabolic shifts induced by preventive phototherapy in the blue range of the spectrum during a high-latitude marine expedition

В работе представлены обобщенные результаты двух полярных экспедиций, состоявшихся в июле - августе в 2017 и в 2019 годах на яхте «Альтер Эго». Целью работы было оценить влияние чрезкожной фототерапии с использованием синего диапазона видимого света на изменение направленности метаболизма человека при быстром переходе из условий умеренно-континентального лета в условия Крайнего Севера. Методы. Участники экспедиции, входившие в экспериментальную группу, ежедневно применяли светоизлучающий браслет (БАСИ). Воздействие состояло из двух сеансов по 15 минут. Образцы мочи собирали в начале, середине и в конце экспедиции с интервалом 2 недели, затем подвергали лазерной корреляционной спектроскопии. Результаты. Показано изменение характера метаболических сдвигов в экскреторной системе организма. Повышение вклада в светорассеяние частиц размером менее 75 нм свидетельствует об активации катаболических процессов. Заключение. Профилактическая фототерапия в синем диапазоне видимой части спектра препятствует развитию анаболических сдвигов, характерных для моряков в длительных плаваниях. This article presents combined results of two polar expeditions that took place in July and August, 2017 and 2019 on an «Alter Ego» yacht. The aim of this study was to evaluate the effect of transcutaneous phototherapy with blue light on the pattern of human metabolism during a fast transition from the conditions of temperate continental summer to the conditions of the Far North. Methods. The participants of the expedition who constituted the experimental group daily used a light-emitting bracelet. The exposure included two 15-min sessions. Urine samples were collected at the beginning, middle and end of the expedition with 2-week intervals and analyzed with laser correlation spectroscopy. Results. The pattern of metabolic shifts in the excretory system was shown to change. The increased contribution to light scattering of particles smaller than 75 nm indicated activation of catabolic processes. Conclusion. Preventive phototherapy in the blue range of the spectrum prevents the development of anabolic shifts typically observed in sailors during long voyages.

On Basic Requirements to Main Elements of Laser Correlation Spectrometer

Introduction. Laser correlation spectroscopy is a promising method that allows one to analyze sizes of nanoparticles and to evaluate their shape and dynamics of aggregation in liquids. A limited usage of laser correlation spectroscopy is currently caused by insufficient accuracy of existing instruments and data processing algorithms. The paper described the development of laser correlation spectroscopic hardware complex designed for nanoparticles size determination in liquids. The basic requirements for the elements of the device and the approaches used to calculate the signal-to-noise ratio were discussed. The achieved parameters of the laser correlation spectrometer were presented.Aim. To develop the hardware for nanoparticles size determination in liquids and to optimize the parameters of hardware elements to increase signal-to-noise ratio.Materials and methods. Theory of dynamic light scattering to describe scattering of laser radiation in liquids was applied. Fundamental requirements for the elements of the laser correlation spectrometer were described.Results. An original scheme of the laser correlation spectrometer was developed, the basic requirements for the general scheme elements were described. Equations for calculating signal-to-noise ratio were given.Conclusion. The analysis of the main parameters of the elements of the laser correlation spectroscopic scheme were carried out. It helps one to evaluate the expected signal-to-noise ratio in laser correlation spectrometers.

Лазерный корреляционный спектрометр для оценки размеров и динамики изменения размеров структур в биологических жидкостях

To estimate sizes of nanostructures in biological fluids and study the dynamics of their changes, a modified method of laser correlation spectroscopy is proposed. The scheme of the hardware-software complex and the algorithm of the method is described. The complex allowed us to achieve high accuracy in determining the size of nanoparticles, as well as to study the size-changing of nanoparticles in dynamics. Using the proposed hardware-software complex we studied the dynamics of aggregates formation in human serum while the immune response. Sizes of formed aggregates depended on the state of the immune system and diseases.

Synthesis of Submicrocontainers with “Green” Biocide and Study of Their Antimicrobial Activity

The synthesis and properties of submicrocontainers with a shell of nanoparticles of silicon dioxide and a core of polymerized 3-(Trimethoxysilyl) propyl methacrylate loaded with 5-Dichloro-2-n-octyl-4-isothiazolin-3-one (DCOIT) are considered. The resulting containers were characterized by scanning electron microscopy SEM, laser correlation spectroscopy and thermogravimetric analysis. The obtained submicrocontainers show low polydispersity with a small increase in size in comparison with the initial droplet size of the Pickering emulsion. The Zeta potential of the final containers was sufficiently negative at pH7 to be stable. The maximum release of encapsulated biocide was observed over approximately 24–27 h with a lease of about 78% of the encapsulated biocide during 3.5 h. The effectiveness of the encapsulated biocide by the Pickering emulsion technique was studied by tests on the growth rate of a microfungi colony (Aspergillus niger, Aspergillus awamori) and the growth rate of the bacteria Bacillus cereus. The test shows that the submicrocontainers of DCOIT facilitate a growth inhibition of 70% against 52% for the free biocide after 5 days; this is due to the fact that free biocide loses its activity promptly, while the encapsulated biocide is released gradually, and thus retains its effectivity for a longer time.

Molecular correlates of acute myocardial infarction in experiments and clinical setting

Цель: моделирование ишемического инфаркта миокарда на крысах, оценка его выраженности с помощью инструментальных методов и сопоставление выявленных сдвигов в сывороточном гомеостазе с изменениями, наблюдаемыми у пациентов с инфарктом в клинике. Методы: моделирование инфаркта миокарда путем необратимой окклюзии нисходящей ветви левой коронарной артерии, иммуноферментный анализ, гистология, морфометрия, лазерная корреляционная спектроскопия. Результаты: адекватность моделирования подтверждена тем, что показано повышенное содержание мозгового натрийуретического пептида в сыворотке крови крыс, зафиксированы характерные изменения в миокарде гистологическими и морфометрическими методами. Обнаружены сдвиги в субфракционном составе сыворотки крови экспериментальных животных и пациентов с инфарктом миокарда по сравнению с контролем. Заключение: использование лазерной корреляционной спектроскопии может оказаться перспективным в качестве дополнительного к общепринятым методам диагностики и для оценки эффективности проводимой терапии. Objective: to model ischemic myocardial infarction in rats, to assess its severity using instrumental methods, and to compare the detected shifts in serum homeostasis with the changes observed in patients with infarction in clinical settings. Methods: modeling of myocardial infarction by irreversible occlusion of the descending branch of the left coronary artery, enzyme immunoassay, histology, morphometry, and laser correlation spectroscopy. Results: the adequacy of the simulation in rats was confirmed by increased serum content of brain natriuretic peptide and characteristic changes in the myocardium detected by histological and morphometric methods. The serum subfractional composition of experimental animals and patients with myocardial infarction was demonstrated to be different from the control. Conclusion: laser correlation spectroscopy may be a promising method to supplement generally accepted diagnostic methods and can be used to assess the effectiveness of administered therapy.