Відділ з вивчення гіпоксичних станів:Історія

Початком вивчення проблеми кисневого голодування вважають дослідження А.-Л. Лавуазьє, який обґрунтував суть процесів горіння і дихання, заперечив флогістонну теорію, а «дихальне повітря» назвав киснем. 1863 Д. Журдане застосував термін «аноксія» (від грец. ajn... – префікс, що означає заперечення, відсутність) на позначення зниження вмісту кисню в артеріальній крові. 1941 С. Віґґерс запропонував застосовувати термін «Гіпоксія» для визначення станів організму при диханні повітрям з вмістом кисню від 12 до 20,9 %, що згодом почав уживатися замість раніше прийнятого «аноксія». Вагомий внесок у розвиток вчення про гіпоксію зробили З. Барбашова, П. Бер, Дж. Вест, В. Енгельгардт, Є. Крепс, В. Малкін, С. Монге, Е. Пфлюґер, І. Сеченов, С. Хаустон, Д. Холден, а також укр. науковці, зокрема М. Сиротинін, А. Колчинська, Н. Лауер, В. Палладін, Ф. Примак. Місто Київ небезпідставно визнане «столицею гіпоксії» – це оцінка пріоритетних у всьому світі масштабних досліджень гіпоксії нашими науковцями. Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України є засновником вивчення проблем гіпоксії на теренах колишнього СРСР та одним із світових лідерів у цьому напрямку науки. Основну роль у цих дослідженнях зіграли наукові ідеї та ентузіазм учня О.О. Богомольця – академіка М.М. Сиротиніна. Сиротинін М.М.

Разом зі своєю ученицею Н.В. Лауер М.М. Сиротинін сформулював гіпотезу про зв'язок стійкості до гіпоксії і регуляції швидкості метаболізму, процесів морфогенезу і функції структур (що згодом втілилося у напрямку сучасних фундаментальних досліджень відділу). Лауер Н.В.

Створена ним українська гіпоксична школа має 90-річну історію і налічує понад 200 вчених. Історія підрозділу починається з 1934 р., коли М.М. Сиротиніним у складі Інституту клінічної фізіології АН УРСР був створений відділ патологічної фізіології, де була виділена комплексна група з вивчення впливу зниженого атмосферного тиску на організм. З 1944 р. у відновленому після війни інституті функціонувала лабораторія з вивчення впливу зниженого атмосферного тиску на організм, яку реорганізували у відділ порівняльної патології у 1948 р. Після утворення Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця підрозділ мав різні назви відділу порівняльної фізіології (1953-1966), відділу патології гіпо- та гіпероксичних станів (1967-1976), відділу з вивчення гіпоксичних станів (1976-2019). У 2019 р. відділ одержав теперішню назву – відділу гіпоксії. Впродовж тривалої історії підрозділу ним керували М.М. Сиротинін (1934-1976), а згодом – представники його наукової школи д.м.н., проф. А.З. Колчинська (1976-1981), д.м.н., проф. М.М. Середенко (1981-2003), д.м.н., проф. І.М. Маньковська (2003-2016), д.м.н. А.Г. Портниченко (з 2016 р.). Під керівництвом М.М. Сиротиніна у відділі розроблялися основні напрямки патофізіології як науки: реактивність і резистентність, адаптація та акліматизація, імунітет, алергія, анафілаксія, запалення, порівняльна фізіологія і патологія, онтогенез, старіння, екстремальні стани, спеціальна фізіологія (високогірна, підводна, спортивна, авіакосмічна), клінічна патофізіологія та реабілітація. Досліджувались питання класифікації гіпоксії, оцінки її ступеня, порівняльних (філо- та онтогенетичних) особливостей розвитку гіпоксичних станів, вивчення патогенезу гірської хвороби, розвитку адаптації до гіпоксії, генезу гіпоксії в екстремальних ситуаціях (радіація, прискорення, декомпресія, гіпербарія, гіперкапнія, гіпотермія, гіпертермія, гіпокінезія); застосування оксигено- та гіпокситерапії, що було піонерською ідеєю вченого. На основі досліджень впливу екстремальних факторів М.М. Сиротинін розробив принцип ступінчастої акліматизації в горах, показав можливості застосування гірського клімату для підвищення стійкості організму людини до екстремальних умов, лікування хворих і був одним із засновників таких наукових напрямків у вітчизняній науці, як високогірна фізіологія, реаніматологія та космічна медицина.

Середенко М.М.

А.З. Колчинська під час свого керівництва ґрунтовно розвинула фундаментальні і прикладні напрямки досліджень відділу: було описано гіпероксичні, гіпербаричні та гіперметаболічні типи гіпоксії (1979), встановлено стадії гіпоксії навантаження при інтенсивній м'язовій активності, охарактеризовано її розвиток на системному рівні та на рівні м'язової тканини за допомогою математичної моделі тканинної дифузії кисню (разом з М.М. Філіпповим, К.Г. Лябах), створено концепцію про функціональну систему дихання і розроблено її математичну модель (разом з А.Г. Місюрою, Ю.М. Онопчуком), розроблено питання етіології та патогенезу первинної та вторинної тканинної гіпоксії. А.З. Колчинська була учасником або керівником 50 високогірних та трьох підводних експедицій, завдяки яким було зроблено суттєвий внесок у порівняльну фізіологію, гідробіоніку, морську біологію. Дослідження акванавтів були поштовхом до створення в Україні напряму фізіології та патофізіології підводних занурень та його експериментальним підґрунтям. Результати досліджень вченої та її учнів (І.М. Маньковська, С.О. Гуляр, Є.В. Моісеєнко та ін.) розкрили унікальні еволюційні механізми адаптації дихання, кровообігу, крові, кисневих режимів організму, біоенергетики чорноморських дельфінів до гіпоксії та гіперкапнії, швидкісного плавання та тривалих глибоководних занурень. Завдяки високогірним дослідженням А.З. Колчинська детально розробила ряд питань гіпоксичної адаптації та гіпокситерапії, запропонувала використання інтервальних гіпоксичних тренувань при хворобах крові, репродуктивної та ендокринної системи. У доробку А.З. Колчинської – 13 монографій з питань кисневих режимів, порівняльних аспектів гіпоксії, застосування інтервальних гіпоксичних тренувань в медицині і спорті, а також наукова школа з 40 кандидатів і 23 докторів наук.

Колчинська А.З.

М.М. Середенко ФОТО поглиблено розвивав ідеї досліджень вікової фізіології дихання та розвитку гіпоксичних станів Н.В. Лауер і А.З. Колчинської. Під його керівництвом у відділі вивчали проблеми фізіології та патофізіології дихання, гіпоксії, спортивної медицини, порушень транспорту і утилізації кисню в організмі, а також шляхів корекції гіпоксичних станів різного ґенезу, обумовлених гіпоксичними та респіраторними порушеннями, крововтратою, стресорними станами тощо. Було охарактеризовано механізми розладів дихання, оксигенації крові, розвиток пероксидації ліпідів у тканинах при різних видах гіпоксії, хворобах дихальної системи, сформульовано концепцію «стресорних легень» (В.П. Пожаров, Т.Д. Міняйленко, І.М. Маньковська, К.В. Розова, В.І. Портніченко, А.І. Назаренко та ін.). Розроблено медикаментозні та немедикаментозні підходи до терапії гіпоксичних станів, зокрема, застосування гелієво-кисневих газових сумішей, нові препарати Ліпін та Суфан, методику індивідуального добору концентрації кисню для терапії дихальної недостатності. Результати досліджень, узагальнені в колективній монографії «Механізми розвитку і компенсації гемічної гіпоксії» (1987), стали основою для нового напрямку досліджень відділу у зв’язку з воєнним станом в Україні. М.М. Середенко підготував наукову школу з понад 20 кандидатів і 7 докторів наук.

Маньковська І.М.

Під керівництвом І.М. Маньковської у відділі проводились фундаментальні дослідження, які дозволили встановити загальні та специфічні ознаки гіпоксичних станів у залежності від типу гіпоксії, віку, резистентності до гіпоксії, генетичних особливостей організму (алельного поліморфізму генів киснезалежних факторів). Основними напрямками роботи відділу були встановлення механізмів розвитку та компенсації гіпоксії на різних рівнях (від системного до молекулярно-генетичного) у фізіологічних та патологічних умовах: напружена м'язова активність, м’язова втома, старіння, стрес, дефіцит дофаміну, захворювання дихальної та нервової систем, гірська хвороба, «антарктичний синдром» (А.І. Назаренко, Т.В. Серебровська, В.І. Портніченко, Є.В. Моісеєнко, Є.Е. Колеснікова, О.М. Бакуновський, Б.Л. Гавенаускас, М.Г. Дубова, А.М. Сидоренко). І.М. Маньковська успішно впровадила у дослідження відділу молекулярно-генетичні методи, що відкрило нові можливості для встановлення механізмів цих процесів. До досягнень відділу можна віднести розкриття основних механізмів розвитку мітохондріальної дисфункції при гіпоксії і стресі: дефекти білкових комплексів електрон-транспортної системи; зміни кількості, структури, динаміки, біогенезу, мітофагії та рухливості мітохондрій; порушення їх основних функцій – підтримки кальцієвого гомеостазу, участі в програмованій клітинній загибелі, продукції активних форм кисню з можливістю розвитку окисного стресу, а також зміни експресії білкових регуляторів і ефекторів цих процесів (мітофузинів, NRFs) та їх генів (Bcl-2, HIFs, DJ-1, Parkin) (В.І. Носар, К.В. Розова, Т.В. Болгова, Л.В. Братусь, О.О. Гончар, О.О. Клименко (Лінник), Т.І. Древицька, М.М. Стешенко). Вперше охарактеризовано експресію генів 3 субодиниць транскрипційного фактора, індукованого гіпоксією (HIF) в тканинах серця, легень, нирок, скелетного м’яза при нормоксії та гіпоксії та показана фундаментальна роль їх генів-мішеней (Т.І. Древицька). Встановлено фазові зміни енергетичного метаболізму у відповідь на гіпоксію або стрес та розкрито їх молекулярні механізми (В.І. Портніченко, В.І. Носар). В експерименті та клініці були уточнені механізми ефективності інтервального гіпоксичного та гіпоксично-гіпероксичного тренування при гіпоксії різного генезу, стресі, підготовці спортсменів та полярних дослідників, при бронхіальній астмі та хворобах Паркінсона і Альцгеймера. Розроблено лікувально-діагностичний комплекс «Гіпокситрон» (Т.В. Серебровська, В.О. Лопата), який вперше дозволив реєстрацію вентиляторної відповіді та реакції серцево-судинної системи на зростання гіпоксичного стимулу під час гіпоксичного тренування та визначення гіпоксичної реактивності та толерантності. Шляхи збільшення адаптаційних можливостей організму визначались також за допомогою нових фармакологічних агентів з антигіпоксичним та антиоксидантним спектром дії (ліпін, яктон, спенозид, мексидол, глутаргін, кверцетин, актовегін, тиотріазолін, ритмокор, капікор, уридин, урідин, альфа-ліпоєва кислота, куркумін, тощо. Під час високогірних експедицій 2005-2013 рр. В.І. Портніченко та А.Г. Портниченко було виявлено гіпо- та гіперглікемічні ефекти гіпоксії на різних висотах, а в серії клінічних та експериментальних досліджень – встановлено і охарактеризовано цілющий вплив умов середньогір’я на метаболічні порушення при діабеті 1 і 2 типу у людини (горців та мешканців рівнини) і експериментальних тварин. На підставі цих результатів було розроблено метод гіпокситерапевтичної корекції метаболічних порушень, зокрема, предіабету, який було апробовано та впроваджено спільно з Т.В. Серебровською в клініці Інституту геронтології ім. Д. Ф. Чеботарьова (2014-2016); під час цих клінічних досліджень було встановлено генетичні механізми (разом з Т.І. Древицькою) сприятливого впливу інтервальної гіпоксії на вуглеводний обмін, пов’язані з індукцією генів HIF-1α, інсулінових рецепторів і транспортерів глюкози у пацієнтів. Проведення досліджень впливу високогірної гіпоксії на схилах Ельбрусу на висоті 4100 м (В.І. Портніченко, А.Г. Портниченко, Т.М. Ільїна та інші учасники експедиції, 2007).

Проведення досліджень впливу високогірної гіпоксії на схилах Ельбрусу на висоті 4100 м (В.І. Портніченко, А.Г. Портниченко, Т.М. Ільїна та інші учасники експедиції, 2007).

У дослідженнях цього періоду в горах і на рівнині (А.Г. Портниченко, В.І. Портніченко, М.І. Василенко, В.І. Носар, С.І. Павлович, Т.Ю. Лапікова-Бригінська, О.В. Сурова, М.Г. Колчева, А.М. Сидоренко та ін.) також було встановлено роль взаємодії субодиниць транскрипційного фактора HIF-1 і -3 в регуляції гіпоксичної індукції генів у міокарді; участь сигнальних шляхів, зокрема, IGF-1/РІ3К/Akt/GSK3β, у клітинній загибелі, протекції та ремоделюванні серця і судин при гіпоксичних впливах; встановлено нові метаболічні механізми адаптації до гіпоксії, в т. ч., ступінчастої, через зміни експресії білкових регуляторів (IGF-1 та його рецептори, лептин, апелін). Ці нові результати обумовили подальші основні напрямки досліджень відділу. Під керівництвом І.М. Маньковської у відділі захищено 3 докторські (Є.В. Моісеєнко, К.В. Розова, В.І. Портніченко) і 9 кандидатських дисертацій. За цикл наукових праць «Фундаментальні дослідження гіпоксичних станів та розробка методів використання адаптації до гіпоксії в медицині і спорті» д.м.н. І.М. Маньковській (у складі колективу авторів) було присуджено у 2000 р. Державну премію України в галузі науки і техніки. І.М. Маньковська була також відзначена Почесними Грамотами Кабінету Міністрів України (2004), Верховної Ради України (2009 р.); Почесною Грамотою та пам’ятною медаллю Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАНУ (2014 р.).

Портниченко А.Г.

З 2016 р. під керівництвом д.м.н. А.Г. Портниченко поряд з традиційним дослідженням механізмів забезпечення кисневого гомеостазу у відділі поглиблено вивчаються клітинні, субклітинні та молекулярно-генетичні механізми клітинної та метаболічної протекції при гіпоксії. Дослідження спрямовуються на виявлення та характеристику феноменів гіпоксичної індукції цитопротекторних, структурних та метаболічних генів і білків, її мікроРНК-залежної регуляції, мітохондріальних механізмів та розробку на цій основі підходів до таргетних методів терапії. Зокрема, розроблено нові моделі гіпоксичного прекондиціювання серця, головного мозку, легень та печінки in vivo для захисту від тяжких гіпоксичних впливів, проводиться визначення сигнальних механізмів та ефектів індукованої цитопротекції (зокрема, ролі IGF-1/РІ3К, мітохондріального регулятора PDK-1), розробка і оптимізація методів гіпокситерапевтичної корекції метаболічних порушень і встановлення їх молекулярних механізмів (А.Г. Портниченко, В.І. Портниченко, М.І. Василенко, О.Ю. Гарматіна, асп. М.Г. Козловська, О.А. Качалова, В.В. Бабічева, Л.Я. Топчанюк). В дослідженнях на трансгенних мишах встановлено участь ApoE та α7nAchRs у механізмах розвитку хронічної гіпоперфузії головного мозку, визначаються особливості участі фактора росту IGF-1 у гіпоксичній відповіді різних типів клітин (О.Ю. Гарматіна, О.А. Качалова). Продовжуються дослідження фізичних і спортивних навантажень щодо встановлення механізмів адаптації до екстремальних умов (О.М. Бакуновський, К.В. Розова, К.Р. Тимошенко), а також розробка гіпокситерапевтичних і фармакологічних підходів до лікування нейродегенеративних захворювань (Т.В. Серебровська, К.В. Розова, І.М. Маньковська). Для висвітлення сучасних напрямків досліджень гіпоксії та їх результатів під керівництвом А.Г. Портниченко було організовано і проведено дві міжнародні наукові конференції «Високогірна гіпоксія і геном» (2008, 2012) у Приельбруссі; наукова конференція, присвячена 120-річчю з дня народження акад. М.М. Сиротиніна, з сателітним симпозіумом «Приельбруські бесіди – ХХІ» (2017) і «Сиротинінські читання - 2018», присвячені 100-річчю з дня народження проф. А.З. Колчинської, у м. Києві. Результати досліджень підсумовано у 2 монографіях (2019).

Отримання премії НАН України ім. Ф.Г. Яновського д.б.н. Розова К.В., д.м.н. Портніченко В.І., д.м.н. Портниченко А.Г. (2022)

Серебровська Т.В. Визначною є активна міжнародна діяльність пров. н. сп. відділу д.б.н., проф. Т.В. Серебровської, яка наполегливо поширювала за кордоном піонерські результати досліджень українських гіпоксистів, ініціювала міжнародні наукові проєкти, завдяки чому у світі було визнано сприятливу дію гіпоксії в нормі та при патології, а вчена була нагороджена медаллю “For Honesty and Disinterestedness in Science” (2002). Як визнаний фахівець у сфері гіпоксичних тренувань і гіпокситерапії, Т.В. Серебровська була обрана експертом The Research and Technology Organisation (RTO) of NATO з питань військових високогірних медичних технологій (Military Mountain Medicine Technology and Research Barriers). Вченою розроблено ряд апаратів для проведення гіпоксичних тренувань, які захищені 5 патентами України і 2 зарубіжними. Механізми впливу і застосування гіпокситерапії було грунтовно охарактеризовано нею у 2 монографіях «Intermittent hypoxia: From molecular mechanisms to clinical applications» (2009), «Intermittent Hypoxia and Human Diseases» (2012) і 3 колективних монографіях. Сучасні дослідження вченої лягли в основу розділу колективної монографії «Neuroscience of Dementia» (2020), а у відділі нею було запропоновано та розпочато дослідження впливу переривчастої гіпоксії з лікувальною метою при когнітивних розладах (хвороба Альцгеймера). Для підвищення рівня наукових досліджень Т.В. Серебровська заснувала в інституті Комітет Біомедичної Етики (2003), який очолювала до своєї смерті в 2021 р.