По мере увеличения продолжительности космических полётов медицина столкнётся с проблемами, которые невозможно решить простой эвакуацией пациента на Землю. Одной из них может стать необходимость хирургического лечения заболеваний глаз. Особенно актуальна эта проблема для будущих экспедиций к Луне и Марсу, поскольку возвращение экипажа на Землю в случае серьёзного нарушения зрения может оказаться практически невозможным или слишком длительным.
Одним из потенциальных заболеваний является катаракта — помутнение естественного хрусталика глаза, которое приводит к ухудшению зрения. Современное лечение предполагает удаление помутневшего хрусталика и установку искусственной интраокулярной линзы, или IOL. Однако для будущей космической медицины важно не только научиться выполнять саму операцию в условиях микрогравитации. Необходимо заранее убедиться, что хирургические инструменты, расходные материалы и имплантаты переживут длительный космический перелёт и сохранят необходимые свойства.
Именно этому вопросу был посвящён эксперимент JAMES, в рамках которого современные интраокулярные линзы впервые подвергли непосредственному воздействию внешней среды Международной космической станции. Полученные результаты показали, что некоторые материалы и конструкции могут изменяться под воздействием факторов космической среды. При этом большинство исследованных линз не продемонстрировало заметных изменений.
Почему проблема зрения становится важнее при дальних космических полётах
Для короткой космической экспедиции многие медицинские проблемы можно рассматривать иначе, чем для полёта продолжительностью в месяцы или годы. На низкой околоземной орбите экипаж находится относительно недалеко от Земли, а медицинская инфраструктура на планете остаётся доступной. В случае действительно серьёзной необходимости возвращение пациента потенциально возможно.
Ситуация меняется при полёте к Марсу. Даже сам перелёт в одну сторону может занимать многие месяцы, а полноценная марсианская экспедиция будет включать не только дорогу до планеты, но и пребывание на её поверхности и последующее возвращение. Поэтому медицинское обеспечение такой миссии должно учитывать заболевания и травмы, которые могут возникнуть уже после начала путешествия.
Хорошее зрение перед стартом не гарантирует его сохранение
Возраст человека, воздействие космической радиации, травмы и различные заболевания могут изменить состояние глаз уже после начала экспедиции. Поэтому медицинский отбор экипажа перед полётом не способен полностью исключить возникновение офтальмологических проблем в будущем.
Особенно это становится важным при расширении космических полётов за пределы профессиональных астронавтов. Чем разнообразнее будет состав будущих экипажей и участников длительных космических миссий, тем шире окажется диапазон возможных медицинских ситуаций.
Катаракта при этом представляет собой лишь один из потенциальных сценариев. В будущем медицинским системам космических аппаратов могут потребоваться возможности для диагностики и лечения различных заболеваний и повреждений глаз.
Почему возвращение на Землю не всегда будет решением
На ранних этапах освоения Луны или Марса тяжёлые медицинские случаи теоретически могут требовать возвращения пациента на Землю. Однако такая возможность сильно зависит от расстояния, расположения космического аппарата, состояния транспорта и общего медицинского состояния человека.
Для Марса проблема особенно очевидна: между возникновением заболевания и возможностью полноценного лечения на Земле могут пройти месяцы. Поэтому для длительных экспедиций постепенно возникает необходимость переносить часть медицинских возможностей непосредственно в место пребывания экипажа.
Это означает, что космическая медицина должна готовиться не только к экстренной помощи, но и к плановым хирургическим процедурам.
Искусственный хрусталик должен пережить космическую среду
Современная операция по удалению катаракты обычно заканчивается установкой искусственного хрусталика внутри глаза. Такой имплантат остаётся в организме пациента и должен сохранять оптические и механические свойства на протяжении длительного времени.
Но до момента установки линза является обычным медицинским изделием, которое необходимо доставить к месту операции. Для земной медицины условия транспортировки хорошо контролируются. В космосе ситуация существенно сложнее.
Медицинский груз может подвергаться вакууму, перепадам температуры, ультрафиолетовому излучению, радиации и воздействию атомарного кислорода на низкой околоземной орбите. Кроме того, дополнительную массу создают упаковка, защитные контейнеры и системы хранения.
Для космических миссий каждый дополнительный килограмм имеет значение, поэтому инженерам необходимо найти баланс между защитой медицинских материалов и минимальной массой оборудования.
Что именно проверяли на Международной космической станции
Для эксперимента JAMES на Международную космическую станцию отправили 135 интраокулярных линз. Важной особенностью исследования стало то, что линзы находились не внутри станции, а снаружи неё.
Это принципиально отличает эксперимент от обычного хранения медицинских изделий на борту. Внутри станции поддерживаются контролируемые температура, давление и состав атмосферы. Внешняя поверхность станции, напротив, непосредственно контактирует с космической средой.
Три положения с разной степенью воздействия
Линзы разместили в специальных носителях CLAIRE в трёх разных местах на внешней стороне станции. Эти положения обеспечивали различающиеся условия воздействия.
В позиции Ram линзы подвергались интенсивному воздействию атомарного кислорода. Для низкой околоземной орбиты атомарный кислород является одним из факторов, способных повреждать поверхности материалов.
В позиции Zenith основным фактором было более существенное воздействие солнечного ультрафиолетового излучения.
В третьем положении, Underdeck, линзы были частично защищены от прямого воздействия атомарного кислорода и солнечного ультрафиолета конструкциями платформы.
Такое размещение позволяло посмотреть, связаны ли наблюдаемые изменения с конкретными особенностями окружающей среды.
Для сравнения использовали земные образцы
На Земле дополнительно разместили 45 линз, извлечённых из первоначальной упаковки. Они находились при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении и использовались как контрольные образцы.
Примерно через шесть месяцев находившиеся на орбите линзы вернулись на Землю. Для текущего анализа отобрали 61 космический образец и 20 контрольных, то есть всего 81 линзу.
Исследователи оценивали прозрачность материалов, их сохранность, состояние поверхностей и наличие различных отложений или изменений.
Большинство линз не показало заметных изменений
Из 61 исследованной линзы, подвергавшейся воздействию космической среды, 42 не продемонстрировали заметных изменений, которые можно было бы связать с воздействием внешней среды.
У остальных 19 образцов обнаружили три основных типа изменений. Они не были одинаковыми и зависели, в частности, от материала линзы и места её размещения.
Важно, что эти результаты нельзя трактовать как доказательство того, что современные искусственные хрусталики в целом непригодны для космических миссий. Эксперимент был специально создан для поиска потенциальных механизмов повреждения при очень жёстком воздействии, а линзы находились без обычной защитной упаковки.
Поверхность некоторых акриловых линз начала повреждаться
Наиболее выраженные изменения обнаружили в позиции Ram, где воздействие атомарного кислорода было особенно сильным.
Из девяти линз в этом месте восемь получили трещины и локальное огрубление поверхности, соответствующие признакам начальной эрозии под действием атомарного кислорода. Все восемь были акриловыми: пять относились к гидрофобным, а три — к гидрофильным материалам.
Девятая линза, изготовленная из силикона, не показала такой картины, но приобрела желтоватое окрашивание.
Эти результаты показывают, что материал имплантата имеет значение при разработке систем его транспортировки и хранения в космосе.
У некоторых линз изменилась окраска
Ещё пять космических образцов приобрели желтоватое окрашивание. Среди них были две гидрофобные акриловые и три силиконовые линзы.
Четыре таких образца находились в позиции Zenith, где они подвергались значительному воздействию солнечного ультрафиолета, ещё один — в позиции Ram.
Спектрофотометрические измерения показали снижение светопропускания, особенно в диапазоне примерно от 400 до 500 нанометров.
Само изменение цвета ещё не означает, что линза стала непригодной для имплантации. Для этого потребовались бы дополнительные исследования оптического качества, механических свойств и клинических характеристик.
У светорегулируемых линз появилась необычная структура
Отдельный результат получили для шести светорегулируемых интраокулярных линз. Все они находились в разных положениях на внешней поверхности станции и после возвращения на Землю демонстрировали сходную структуру на обеих поверхностях и по краям оптической части.
Поверхность напоминала покрытие с ячеистой, «бугристой» структурой, которую можно сравнить по внешнему виду с пузырчатой плёнкой или мелкой брусчаткой.
При этом два соответствующих контрольных образца, хранившихся на Земле, такой структуры не имели.
Однако механизм её образования пока неизвестен. Исследователи также не исключают возможность того, что подобное изменение связано не непосредственно с воздействием космической среды. Поэтому делать вывод о конкретной причине появления этой структуры пока преждевременно.
Почему результаты нельзя считать испытанием готовых космических имплантатов
Наиболее важное ограничение эксперимента связано с условиями его проведения.
Линзы намеренно подвергались воздействию внешней среды без обычной упаковки. Целью было не воспроизведение реальной транспортировки имплантатов к Марсу, а поиск возможных механизмов повреждения при максимально жёстком воздействии.
Таким образом, эксперимент отвечал на вопрос о том, что может произойти с материалами при непосредственном контакте с космической средой. Он не отвечал на вопрос, сохранится ли медицинское изделие в рабочем состоянии внутри правильно спроектированного транспортного контейнера.
Малый размер выборки ограничивает выводы
Исследование также нельзя использовать для сравнения производителей или определения того, какой тип интраокулярных линз лучше подходит для космических полётов.
Размеры отдельных групп были небольшими и неравномерными. В некоторых положениях находилась только одна линза конкретной модели. Кроме того, исследователи анализировали лишь выбранную часть всего возвращённого набора.
Контрольные линзы, находившиеся на Земле, также не проходили через запуск, полёт и возвращение. Поэтому некоторые изменения нельзя однозначно связать именно с внешней космической средой.
Наконец, на данном этапе были проведены не все возможные испытания. Помимо измерения светопропускания, необходимы дополнительные проверки качества изображения, механической прочности и клинической эффективности.
Поэтому результаты представляют собой прежде всего первый этап исследования, а не готовую оценку безопасности конкретных моделей.
Почему внешняя среда Международной космической станции важна для будущих миссий
Низкая околоземная орбита не идентична межпланетному пространству. Тем не менее эксперимент важен именно потому, что позволяет выявить уязвимые места материалов при воздействии факторов, которых нет на поверхности Земли.
В дальнейшем эти сведения могут использоваться для разработки упаковки, экранов и условий хранения медицинских изделий.
При этом будущая транспортировка на Марс потребует отдельного анализа. Интенсивность и сочетание различных факторов будут зависеть от конкретной траектории, продолжительности перелёта, системы хранения и конструкции космического корабля.
Поэтому обнаруженное в эксперименте повреждение материала нельзя автоматически переносить на любую будущую марсианскую миссию.
Следующий вопрос — можно ли вообще оперировать глаз в космосе
Сохранность искусственного хрусталика — только одна часть проблемы. Даже идеально защищённая линза не решает вопрос проведения операции.
Операция по удалению катаракты требует специального оборудования, стерильных материалов, точного контроля положения пациента и работы хирурга с тканями глаза. В условиях микрогравитации привычная земная механика меняется.
Жидкости не ведут себя так же, как на поверхности Земли, поскольку отсутствует обычное стекание под действием силы тяжести. Любая хирургическая система должна быть рассчитана на то, чтобы кровь, жидкости и мелкие частицы не распространялись свободно внутри рабочего пространства.
Кроме того, необходимо обеспечить стерильность оборудования и операционного поля в среде космического аппарата.
Начать хотят не с операции, а с оборудования
Следующий этап исследований предполагает проверку системы факоэмульсификации — оборудования, которое используется при удалении катаракты.
Факоэмульсификация основана на ультразвуковом воздействии и системе управления жидкостью во время операции. Исследователи планируют сначала проверить работу такой системы во время кратковременных периодов микрогравитации, которые создаются в параболических полётах.
Это существенно более простой этап, чем полноценная операция на орбите. Параболический полёт позволяет получить короткие периоды микрогравитации и проверить поведение оборудования без необходимости сразу отправлять хирургическую систему на космическую станцию.
От кратковременной микрогравитации к операции
Если испытания оборудования окажутся успешными, следующим этапом может стать его проверка при более продолжительном воздействии микрогравитации.
Только после последовательного прохождения этих этапов можно будет рассматривать эксперимент с реальной хирургической процедурой в космосе.
Таким образом, предполагаемая последовательность выглядит значительно сложнее, чем простая доставка хирурга и медицинского набора на орбиту. Сначала необходимо проверить материалы, затем оборудование, затем саму процедуру и лишь после этого рассматривать хирургическое вмешательство.
Какие медицинские материалы придётся защищать во время полёта
Искусственный хрусталик — далеко не единственный компонент, который потребуется доставлять для офтальмологической операции.
Для хирургического вмешательства нужны инструменты, стерильные расходные материалы, системы подачи и удаления жидкости, упаковка и оборудование для хранения. Каждый элемент должен оставаться работоспособным после запуска, транспортировки и длительного пребывания в космической среде.
Для межпланетной экспедиции проблема становится ещё сложнее. Медицинские изделия могут находиться на борту значительно дольше, чем при обычном орбитальном полёте. Поэтому срок хранения становится самостоятельным инженерным параметром.
Кроме того, защиту нельзя увеличивать бесконечно. Более толстые экраны и массивная упаковка повышают массу космического аппарата, а вместе с ней — стоимость и сложность запуска.
Космическая хирургия потребует компромисса между защитой и массой
Эксперимент показывает одну из характерных особенностей космической медицины: медицинское изделие необходимо рассматривать одновременно как медицинский и космический объект.
На Земле можно относительно просто хранить запас имплантатов в подходящих условиях и при необходимости заменить повреждённое изделие новым. В глубоком космосе такая возможность будет ограничена количеством доставленных запасов.
Поэтому будущая система должна учитывать не только свойства самого имплантата, но и весь путь от производства до момента операции.
Нужно будет определить, какая упаковка действительно необходима, какие факторы следует экранировать, какие материалы лучше сохраняют свойства и можно ли отказаться от части защитных систем без неприемлемого риска.
Может ли катаракта стать проблемой именно на Марсе
Пока нельзя утверждать, что хирургическое лечение катаракты действительно понадобится на Марсе. Речь идёт о потенциальной медицинской потребности, которая становится более существенной по мере увеличения продолжительности и удалённости человеческих миссий.
Однако сам принцип достаточно прост: если человек проводит в космосе много месяцев или лет, вероятность того, что за это время ему потребуется медицинская помощь, возрастает по сравнению с коротким полётом.
При этом будущие марсианские экипажи будут состоять из людей, которые проходят медицинский отбор, но это не исключает возникновение новых проблем уже после начала миссии.
Поэтому подготовка к офтальмологическим операциям не означает ожидания конкретного заболевания. Это часть более широкой задачи создания медицинской автономности дальних космических экспедиций.
Космическая медицина постепенно переходит от экстренной помощи к автономности
На ранних этапах освоения космоса медицина была ориентирована главным образом на поддержание здоровья экипажа во время относительно коротких миссий. При длительном присутствии людей на орбите и будущих базах требования будут постепенно меняться.
Постоянная или длительная работа экипажа означает, что нельзя рассчитывать исключительно на возможность быстрого возвращения домой. Космическая инфраструктура должна будет обеспечивать диагностику и лечение большего количества состояний непосредственно на месте.
Офтальмологическая хирургия является наглядным примером этой проблемы. С одной стороны, речь идёт о распространённом медицинском состоянии, которое на Земле лечится рутинно. С другой — перенос обычной процедуры в космическую среду требует решения целого комплекса инженерных и медицинских задач.
Что показал эксперимент и чего он пока не показал
Главный результат исследования состоит в том, что современные материалы интраокулярных линз действительно могут изменяться при непосредственном воздействии факторов внешней среды низкой околоземной орбиты.
При этом большинство исследованных образцов — 42 из 61 — не показало заметных изменений, связанных с воздействием. У 19 линз обнаружили различные особенности: повреждение поверхности, пожелтение или необычную структуру у светорегулируемых моделей.
Но эксперимент не является испытанием готовой системы транспортировки медицинских имплантатов к Марсу. Линзы находились без обычной упаковки, выборка была ограниченной, а часть возможных причин обнаруженных изменений пока не установлена.
Кроме того, исследование не проверяло проведение операции на человеке или животном в космосе. Оно также не показывает, что какой-либо конкретный тип интраокулярной линзы непригоден для использования в будущих космических миссиях.
Зато эксперимент позволяет сформулировать более конкретные инженерные вопросы: какие материалы требуют дополнительной защиты, какие факторы наиболее опасны, как должна выглядеть упаковка и какие испытания необходимо провести перед использованием медицинских изделий в дальних космических экспедициях.
Путь к первой операции за пределами Земли будет поэтапным
Полноценная хирургическая операция в космосе пока остаётся задачей будущего. Однако подготовка к ней может начаться задолго до появления первой необходимости.
Первым этапом становится изучение материалов. Именно такой подход был использован в JAMES: различные интраокулярные линзы подвергли непосредственному воздействию космической среды и после возвращения изучили их состояние.
Следующий этап — оборудование. Необходимо понять, как хирургические системы работают в условиях микрогравитации и насколько сильно изменяется поведение жидкостей и других компонентов процедуры.
После этого потребуется проверить саму хирургическую методику в соответствующих условиях. И только затем можно будет рассматривать полноценное хирургическое вмешательство на орбите.
Такой подход важен потому, что ошибка при проектировании медицинской системы дальнего космоса может стать необратимой: после отправки экспедиции к Марсу заменить неподходящий имплантат или хирургическое оборудование уже не получится так же просто, как в земной клинике.
Почему исследование искусственных хрусталиков имеет значение далеко за пределами офтальмологии
Хотя эксперимент посвящён конкретному медицинскому изделию, поставленная задача характерна для всей будущей космической медицины.
Любой препарат, имплантат, хирургический инструмент или расходный материал, предназначенный для длительной экспедиции, должен быть рассчитан на транспортировку и хранение в условиях, отличающихся от земных.
Особенно важны материалы, которые должны сохранять свои свойства в течение месяцев или лет. Для них недостаточно доказать безопасность и эффективность на Земле. Нужно также понять, что произойдёт с ними после запуска, при воздействии космической среды и после длительного хранения.
Именно поэтому эксперименты с отдельными компонентами медицинского оборудования могут стать частью подготовки к значительно более масштабной задаче — созданию автономной медицинской инфраструктуры за пределами Земли.
Пока до полноценной хирургической операции на Марсе ещё очень далеко. Но уже сейчас можно определить потенциально слабые места будущей системы. Исследование интраокулярных линз показало, что даже небольшой медицинский компонент требует отдельной проверки, если его предстоит доставить и хранить в космосе.
Для будущих экспедиций это принципиально: медицина должна быть готова не только к условиям старта и полёта, но и к ситуации, когда пациент находится слишком далеко от Земли, чтобы просто отправить его домой.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
