Морфофункциональные изменения периферических иммунных органов в условиях космического полета и моделирования невесомости

В настоящее время существует множество исследований, посвященных проблемам иммунитета в космических полетах. Доказано, что как кратковременное, так и длительное пребывание в условиях космоса заметно снижает иммунную функцию организма. Известны случаи развития инфекционных заболеваний у космонавтов во время полета. Имеются данные о повышении активности вирусов и микроорганизмов, способных повлиять на состояние здоровья членов экипажей. В свете предстоящей экспедиции на Марс особенно важно изучение вопроса, какие именно изменения в иммунной системе могут быть спровоцированы длительным пребыванием в условиях невесомости и другими факторами космического полета и какие профилактические меры могут помочь сохранить здоровье космонавтов как во время самого полета, так и после его завершения. Состояние иммунной системы в космосе изучено на различных уровнях, от молекулярного до органного. Отмечено изменение морфологических параметров органов иммунной системы, нарушения соотношения их морфофункциональных зон, клеточного состава. Показаны различные нарушения в сигнальных путях дифференцировки, активации и гибели клеток иммунной системы. Одной из наиболее изученных тем является зафиксированное многими исследователями снижение активности Т-лимфоцитов, однако даже в этом вопросе до конца не выяснены механизмы происходящих нарушений и их связь с условиями космического полета. Актуальность методов моделирования условий микрогравитации, таких как различные типы вывешивания, ротация на клиностате, иммобилизация обусловлена как большей их доступностью для исследования по сравнению с полетами в космос, так и важностью изучения роли различных факторов, связанных с полетом в изменениях, происходящих в организме человека и животных. В данной статье представлен обзор публикаций, посвященных широкому спектру вопросов, связанных с состоянием иммунной системы в космических полетах и условиях наземного моделирования.

1. Аминова Г.Г. Цитоархитектоника слизистой оболочки тощей кишки мышей C53BL/6 в контроле и после космического полета. Вестник новых медицинских технологий. Электронное издание. 2019;3:165–8

2. Булекбаева Л.Э., Демченко Г.А., Ильин Е.А. Структурно-функциональное состояние лимфоидной ткани лимфатических узлов мышей после 30-суточного космического полета на борту космического аппарата «Бион-М1». Авиакосмическая и экологическая медицина. 2015;49(4):9–14

3. Васянина К.А., Вовкогон А.Д. Цитоархитектоника лимфоидных образований стенки 12-перстной кишки в норме и при 30-суточной гипокинезии. Морфологические ведомости. 2013;4:103–5

4. Ганиева А.И. Влияние 30-ти суточной гипокинезии на лимфоидную ткань в стенках слепой кишки крыс. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2009;4:84–90

5. Гарунова К.А., Григоренко Д.Е., Аминова Г.Г. Морфологические особенности брыжеечных лимфатических узлов при моделировании гипокинезии. Морфология. 2011;139(1):49–52

6. Григоренко Д.Е., Аминова Г.Г., Васянина К.А. Морфофункциональные изменения некоторых периферических органов иммунной системы после гипокинезии и в период адаптации. Морфология. 2013;144(6):47–51

7. Григоренко Д.Е., Аминова Г.Г., Ерофеева Л.М. Перестройка лимфоидной ткани в селезенке и стенкe тощей кишки мышей при наземном моделировании условий содержания животных в полете биоспутника «Bion-M1». Авиакосмическая и экологическая медицина. 2015;49(4):20–5

8. Григоренко Д.Е., Сапин М.Р. Реорганизация лимфоидных структур селезенки монгольских песчанок после космического полета. Морфология. 2012;142(4):67–71

9. Дурнова Г.Н., Капланский А.С., Португалов В.В. Влияние 22-дневного космического полета на лимфоидные органы крыс. Космическая биология и авиакосмическая медицина. 1977;2:53–60

10. Ерофеева Л.М., Дорохович Г.П. Морфологическая характеристика паховых лимфатических узлов обезьян в различные сроки после сочетанного действия антиортостатической гипокинезии и гипергравитации. Фундаментальные и прикладные исследования в биоэкологии и биотехнологии: материалы Всерос. науч. конф. Ульяновск, Чебоксары; 2019: 63–7

11. Константинова И.В. Система иммунитета в экстремальных условиях. Космическая иммунология. М.: Наука: 1988

12. Моруков Б.В., Рыкова М.П., Антропова Е.Н., Берендеева Т.А., Пономарев С.А., Ларина И.М. Показатели врожденного и адаптивного иммунитета у космонавтов после длительных космических полетов на международной космической станции. Физиология человека. 2010;36(3):19–30

13. Новоселова Е.Г., Лунин С.М., Хренов М.О., и др. Стрессовый ответ, сигнализация и апоптоз в иммунных клетках мышей. Космический научный проект «Бион-М1»: медикобиологические эксперименты и исследования. ИМБП; 2016: 381–91

14. Рыкова М.П. Иммунная система у Российских космонавтов после орбитальных полетов. Физиология человека. 2013;39(5):126–36

15. Akiyama T, Horie K, Hinoi E, Hiraiwa M, Kato A, Maekawa Y, et al. How does spaceflight affect the acquired immune system? NPJ Microgravity. 2020 May 7;6(1): 6–14. doi: 10.1038/s41526-020-0104-1

16. Armstrong JW, Nelson KA, Simske SJ, Luttges MW, Iandolo JJ, Chapes SK. Skeletal unloading causes organ-specific changes in immune cell responses. Journal of Applied Physiology. 1993 Dec 1;75(6):2734–9. doi: 10.1152/jappl.1993.75.6.2734

17. Bacci G, Amalfitano S, Levantesi C, Rossetti S, Garrelly L, Canganella F, et al. Microbial community composition of water samples stored inside the International Space Station. Research in Microbiology. 2019 Jun;170(4-5):230–4. doi:10.1016/j.resmic.2019.04.003

18. Baqai FP, Gridley DS, Slater JM, Luo-Owen X, Stodieck LS, Ferguson V, et al. Effects of spaceflight on innate immune function and antioxidant gene expression. Journal of Applied Physiology. 2009 Jun;106(6):1935–42. doi:10.1152/japplphysiol.91361.2008

19. Bigley AB, Agha NH, Baker FL, Spielmann G, Kunz HE, Mylabathula PL, et al. NK cell function is impaired during long-duration spaceflight. Journal of Applied Physiology. 2019 Apr 1;126(4):842–53. doi: 10.1152/japplphysiol.00761.2018

20. Buchheim J, Ghislin S, Ouzren N, Albuisson E, Vanet A, Matzel S, et al. Plasticity of the human IgM repertoire in response to long‐term spaceflight. The FASEB Journal. 2020 Oct 13;34(12):16144–62. doi:10.1096/fj.202001403RR

21. Buchheim J-I, Matzel S, Rykova M, Vassilieva G, Ponomarev S, Nichiporuk I, et al. Stress Related Shift Toward Inflammaging in Cosmonauts After Long-Duration Space Flight. Frontiers in Physiology. 2019 Feb 19;10:85. doi:10.3389/fphys.2019.00085

22. Chapes SK, Simske SJ, Sonnenfeld G, Miller ES, Zimmerman RJ. Effects of spaceflight and PEGIL-2 on rat physiological and immunological responses. Journal of Applied Physiology. 1999 Jun 1;86(6):2065–76. doi:10.1152/jappl.1999.86.6.2065

23. Chen Y, Xu C, Wang P, Cai Y, Ma H. Effect of Long-Term Simulated Microgravity on Immune System and Lung Tissues in Rhesus Macaque. Inflammation. 2017 Jan 9;40(2):589–600. doi:10.1007/s10753-016-0506-0

24. Cromer WE, Zawieja DC. Acute exposure to space flight results in evidence of reduced lymph Transport, tissue fluid Shifts, and immune alterations in the rat gastrointestinal system. Life Sciences in Space Research. 2018 May;17:74–82. doi:10.1016/j.lssr.2018.03.005

25. Crucian BE, Cubbage ML, Sams CF. Altered Cytokine Production by Specific Human Peripheral Blood Cell Subsets Immediately Following Space Flight. Journal of Interferon & Cytokine Research. 2000 Jun;20(6):547–56. doi: 10.1089/10799900050044741

26. Crucian B, Stowe RP, Mehta S, Quiriarte H, Pierson D, Sams C. Alterations in adaptive immunity persist during long-duration spaceflight. npj Microgravity. 2015 Sep 3;1(1): 15013. doi:10.1038/npjmgrav.2015.13

27. Dai S, Kong F, Liu C, Xiao F, Dong X, Zhang Y, et al. Effect of simulated microgravity conditions of hindlimb unloading on mice hematopoietic and mesenchymal stromal cells. Cell Biology International. 2020 Aug 8;44(11):2243–52. doi: 10.1002/cbin.11432

28. Dhar S, Kaeley DK, Kanan MJ, Yildirim-Ayan E. Mechano-Immunomodulation in Space: Mechanisms Involving Microgravity-Induced Changes in T Cells. Life. 2021 Oct 3;11(10):104. doi:10.3390/life11101043

29. Felix K, Wise K, Manna S, Yamauchi K, Wilson BL, Thomas RL, et al. Altered cytokine expression in tissues of mice subjected to simulated microgravity. Molecular and Cellular Biochemistry. 2004 Nov;266(1/2):79–85. doi: 10.1023/b:mcbi.0000049136.55611.dd

30. Gaignier F, Schenten V, De Carvalho Bittencourt M, Gauquelin-Koch G, Frippiat J-P, Legrand-Frossi C. Three Weeks of Murine Hindlimb Unloading Induces Shifts from B to T and from Th to Tc Splenic Lymphocytes in Absence of Stress and Differentially Reduces Cell-Specific Mitogenic Responses. Lees JR, editor. PLoS ONE. 2014 Mar 24;9(3):e92664. doi:10.1371/journal.pone.0092664

31. Gould CL, Lyte M, Williams J, Mandel AD, Sonnenfeld G. Inhibited interferon-gamma but normal interleukin-3 production from rats flown on the space. Aviat Space Environ Med. 1987;58(10):983–9.

32. Gridley DS, Mao XW, Stodieck LS, Ferguson VL, Bateman TA, Moldovan M, et al. Changes in Mouse Thymus and Spleen after Return from the STS-135 Mission in Space. Singh K, editor. PLoS ONE. 2013 Sep 19;8(9):e75097. doi: 10.1371/journal.pone.0075097

33. Gridley DS, Slater JM, Luo-Owen X, Rizvi A, Chapes SK, Stodieck LS, et al. Spaceflight effects on T lymphocyte distribution, function and gene expression. Journal of Applied Physiology. 2009 Jan;106(1):194–202. doi: 10.1152/japplphysiol.91126.2008

34. Grove DS, Pishak SA, Mastro AM. The Effect of a 10-Day Space Flight on the Function, Phenotype, and Adhesion Molecule Expression of Splenocytes and Lymph Node Lymphocytes. Experimental Cell Research. 1995 Jul;219(1):102–9. doi:10.1006/excr.1995.1210

35. Horie K, Sasanuma H, Kudo T, Fujita S, Miyauchi M, Miyao T, et al. Down-regulation of GATA1-dependent erythrocyte-related genes in the spleens of mice exposed to a space travel. Scientific Reports. 2019 May 21;9(1):7654. doi:10.1038/s41598-019-44067-9

36. Hwang S-A, Crucian B, Sams C, Actor JK. PostSpaceflight (STS-135) Mouse Splenocytes Demonstrate Altered Activation Properties and Surface Molecule Expression. Singh K, editor. PLOS ONE.2015 May 13;10(5):e0124380. doi:10.1371/journal.pone.0124380

37. Ichijo T, Shimazu T, Nasu M. Microbial Monitoring in the International Space Station and Its Application on Earth. Biological and Pharmaceutical Bulletin. 2020 Feb 1;43(2):254–7. doi:10.1248/bpb.b19-00912

38. Jin M, Wang J, Zhang H, Zhou H, Zhao K. Simulated Weightlessness Perturbs the Intestinal Metabolomic Profile of Rats. Frontiers in Physiology. 2019 Oct 15;10:1279. doi:10.3389/fphys.2019.01279

39. Jin M, Zhang H, Zhao K, Xu C, Shao D, Huang Q, et al. Responses of Intestinal Mucosal Barrier Functions of Rats to Simulated Weightlessness. Frontiers in Physiology. 2018 Jun 14;9:729. doi:10.3389/fphys.2018.00729

40. Kopydlowski KM, McVey DS, Woods KM, Landolo JJ, Chapes SK. Effects of antiorthostatic suspension and corticosterone on macrophage and spleen cell function. Journal of Leukocyte Biology. 1992 Aug;52(2):202–8. doi: 10.1002/jlb.52.2.202

41. Kraemer WJ, Mastro AM, Gordon SE, Koziris LP, Bush JA, et al. Responses of plasma proenkephalin peptide F in rats following 14 days of spaceflight. Aviat Space Environ Med. 2004 Feb;75(2):114-7.

42. Kraft LM, Rosenzweig SN, Souza KA, et al. Results of histological examination of inguinal lymph nodes: supplementary report. Final Report of US Experiment Flown on the Soviet Satellite Cosmos 782 NASA TM 78525. 1978;227–31.

43. Lesnyak A, Sonnenfeld G, Avery L, Konstantinova I, Rykova M, Meshkov D, et al. Effect of SLS-2 spaceflight on immunologic parameters of rats. Journal of Applied Physiology. 1996 Jul 1;81(1):178–82. doi: 10.1152/jappl.1996.81.1.178

44. Li P, Shi J, Zhang P, Wang K, Li J, Liu H, et al. Simulated microgravity disrupts intestinal homeostasis and increases colitis susceptibility. The FASEB Journal. 2015 Aug;29(8):3263–73. doi:10.1096/fj.15-271700

45. Li X, Liu C-T, Zhou H. The influence of leptin on the activity of lung lymphocytes under simulated microgravity. European Journal of Applied Physiology. 2009 Jul 22;107(3):335–44. doi:10.1007/s00421-009-1129-z

46. Lin X, Zhang K, Wei D, Tian Y, Gao Y, Chen Z, et al. The Impact of Spaceflight and Simulated Microgravity on Cell Adhesion. International Journal of Molecular Sciences. 2020 Apr 25;21(9):3031. doi: 10.3390/ijms21093031

47. Liu Z, Luo G, Du R, Sun W, Li J, Lan H, et al. Effects of spaceflight on the composition and function of the human gut microbiota. Gut Microbes. 2020 Jan 10;11(4):807–19.10.1080/19490976.2019.1710091

48. Ludtka C, Silberman J, Moore E, Allen JB. Macrophages in microgravity: the impact of space on immune cells. npj Microgravity. 2021 Mar 31;7(1):13. doi: 10.1038/s41526-021-00141-z

49. Martinez EM, Yoshida MC, Candelario TLT, Hughes-Fulford M. Spaceflight and simulated microgravity cause a significant reduction of key gene expression in early T-cell activation. American Journal of Physiology Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 2015 Mar 15;308(6):R480-488. doi:10.1152/ajpregu.00449.2014

50. McCarville JL, Clarke ST, Shastri P, Liu Y, Kalmokoff M, Brooks SPJ, et al. Spaceflight Influences both Mucosal and Peripheral Cytokine Production in PTN-Tg and Wild Type Mice. Agarwal S, editor. PLoS ONE. 2013 Jul 10;8(7):e68961. doi: 10.1371/journal.pone.0068961

51. Meehan RT, Neale LS, Kraus ET, et al. Alteration in human mononuclear leucocytes following space flight. Immunology. 1992;76(3):491–7.

52. Nash PV, Konstantinova IV, Fuchs BB, Rakhmilevich AL, Lesnyak AT, Mastro AM. Effect of spaceflight on lymphocyte proliferation and interleukin-2 production. Journal of Applied Physiology. 1992 Aug 1;73(2):S186–90. doi:10.1152/jappl.1992.73.2.s186

53. Novoselova EG, Lunin SM, Khrenov MO, Parfenyuk SB, Novoselova TV, Shenkman BS, et al. Changes in immune cell signalling, apoptosis and stress response functions in mice returned from the BION-M1 mission in space. Immunobiology. 2015 Apr;220(4):500–9. doi:10.1016/j.imbio.2014.10.021

54. Paul AM, Mhatre SD, Cekanaviciute E, Schreurs A-S, Tahimic CGT, Globus RK, et al. Neutrophil-to-Lymphocyte Ratio: A Biomarker to Monitor the Immune Status of Astronauts. Frontiers in Immunology. 2020 Nov 2;1. doi:10.3389/fimmu.2020.564950

55. Paulsen K, Tauber S, Dumrese C, Bradacs G, Simmet DM, Gölz N, et al. Regulation of ICAM-1 in Cells of the Monocyte/Macrophage System in Microgravity. BioMed Research International. 2015;2015:1–18. doi: 10.1155/2015/538786

56. Pecaut MJ, Mao XW, Bellinger DL, Jonscher KR, Stodieck LS, Ferguson VL, et al. Is spaceflightinduced immune dysfunction linked to systemic changes in metabolism? Fornace AJ, editor. PLOS ONE. 2017 May 24;12(5):e0174174. doi:10.1371/journal.pone.0174174

57. Pecaut MJ, Simske SJ, Fleshner M. Spaceflight induces changes in splenocyte subpopulations: effectiveness of ground-based models. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 2000 Dec 1;279(6):2072–8. doi:10.1152/ajpregu.2000.279.6.r2072

58. Ponomarev SA, Berendeeva TA, Kalinin SA, Kalinin SA, Muranova AV. Status of the system of signaling pattern recognition receptors of monocytes and granulocytes in cosmonauts’’ peripheral blood before and after long-duration missions to the international space station. Aerospace and Environmental Medicine. 2016;50(5):18–23. doi:10.21687/0233-528x-2016-50-5-18-23

59. Prasad B, Grimm D, Strauch SM, Erzinger GS, Corydon TJ, Lebert M, et al. Influence of Microgravity on Apoptosis in Cells, Tissues, and Other Systems In Vivo and In Vitro. International Journal of Molecular Sciences. 2020 Dec 9;21(24):9373. doi: 10.3390/ijms21249373

60. Rooney BV, Crucian BE, Pierson DL, Laudenslager ML, Mehta SK. Herpes Virus Reactivation in Astronauts During Spaceflight and Its Application on Earth. Frontiers in Microbiology. 2019 Feb 7;10:16. doi: 10.3389/fmicb.2019.00016

61. Shi L, Tian H, Wang P, Li L, Zhang Z, Zhang J, et al. Spaceflight and simulated microgravity suppresses macrophage development via altered RAS/ERK/NFκB and metabolic pathways. Cellular & Molecular Immunology. 2020 Jan 3;18(6):1489–502. doi: 10.1038/s41423-019-0346-6

62. Sonnenfeld G. Editorial: Space flight modifies T cell activation-role of microgravity. Journal of Leukocyte Biology. 2012 Dec;92(6):1125–6. doi: 10.1189/jlb.0612314

63. Sonnenfeld G. The immune system in space and microgravity. Medicine & Science in Sports & Exercise. 2002 Dec;34(12):2021–7. doi: 10.1097/00005768-200212000-00024

64. Spielmann G, Agha N, Kunz H, Simpson RJ, Crucian B, Mehta S, et al. B cell homeostasis is maintained during long-duration spaceflight. Journal of Applied Physiology. 2019 Feb 1;126(2):469–76. doi: 10.1152/japplphysiol.00789.2018

65. Sun Y, Kuang Y, Zuo Z. The Emerging Role of Macrophages in Immune System Dysfunction under Real and Simulated Microgravity Conditions. International Journal of Molecular Sciences. 2021 Feb 26;22(5):2333. doi: 10.3390/ijms22052333

66. Sundaresan A, Mann V, Mehta S, Crucian B, Doursout M, Devakottai S. Effects of microgravity and other space stressors in immunosuppression and viral reactivation with potential nervous system involvement. Neurology India. 2019;67(8):198–203. doi: 10.4103/0028-3886.259125

67. Tascher G, Gerbaix M, Maes P, Chazarin B, Ghislin S, Antropova E, et al. Analysis of femurs from mice embarked on board BION‐M1 biosatellite reveals a decrease in immune cell development, including B cells, after 1 wk of recovery on Earth. The FASEB Journal. 2018 Dec 6;33(3):3772–83. doi: 10.1096/fj.201801463r

68. Tauber S, Lauber BA, Paulsen K, Layer LE, Lehmann M, Hauschild S, et al. Cytoskeletal stability and metabolic alterations in primary human macrophages in long-term microgravity. Reddy SV, editor. PLOS ONE. 2017 Apr 18;12(4):e0175599. doi:10.1371/journal.pone.0175599

69. Tuschl H, Kovac R, Klein W, Ott E, Voronkov YI, Kaidakow M. Genetic and immunologic studies after space flight. Wien Med Wochenschr. 1993;143(23-24):636-8.

70. Voorhies AA, Mark Ott C, Mehta S, Pierson DL, Crucian BE, Feiveson A, et al. Study of the impact of long-duration space missions at the International Space Station on the astronaut microbiome. Scientific Reports. 2019 Jul 9;9(1):99–111. doi: 10.1038/s41598-019-46303-8

71. Ward C, Rettig TA, Hlavacek S, Bye BA, Pecaut MJ, Chapes SK. Effects of spaceflight on the immunoglobulin repertoire of unimmunized C57BL/6 mice. Life Sciences in Space Research. 2018 Feb;16:63–75. doi:10.1016/j.lssr.2017.11.003

72. Wei LX, Zhou JN, Roberts AI, Shi YF. Lymphocyte reduction induced by hindlimb unloading: distinct mechanisms in the spleen and thymus. Cell Research. 2003 Dec;13(6):465–71. doi:10.1038/sj.cr.7290189