Історична довідка
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. 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 назву 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.). У 1978-1990 рр. у складі відділу функціонували лабораторії біогазодинаміки і гідробіоніки (д.б.н. А.Г. Мисюра), високогірної фізіології (д.м.н. П.В. Білошицький), підводної фізіології (д.м.н., проф. С.О. Гуляр).
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. Вивчення гіпоксії та дотичних до неї проблем було одним з основних напрямків і з часом розширювалося. Розроблялися 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. М.М. Сиротинін з 30-х років минулого сторіччя здійснював щорічні високогірні наукові експедиції і в 1939 р. видав програмну монографію «Життя на висотах і хвороба висоти». Про значущість цього наукового напрямку свідчить те, що з 1947 р. в інституті проводилися щорічні конференції з проблем гіпоксії, а з 1950 р. – також з питань кисневої терапії. У 1972 р. М.М. Сиротиніним було створено наукову базу інституту в Приельбруссі – Ельбруську медико-біологічну станцію (з 1992 р. увійшла до складу Міжнародного центру астрономічних та медико-екологічних досліджень НАН України). Всі учні Сиротиніна у відділі гіпоксії пройшли випробування горами (П.В. Білошицький, В.І. Данилейко, В.П. Дударєв, О.М. Красюк, І.І. Лановенко, В.В. Мацинін, І.Ф. Соколянський, О.А. Івашкевич та ін.). 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.
Теоретичні узагальнення досліджень протягом усього життя М.М. Сиротиніна поєднувалися з впровадженням результатів цих досліджень у практику клінічної медицини, медицини праці, космічної медицини, спорту. Встановивши, що гіпоксичні стани характерні для людей похилого та старечого віку, М.М. Сиротинін рекомендував широке застосування ентеральної оксигенотерапії у геріатричній практиці. Оскільки дослідження показали, що провідним фактором патогенезу гірської хвороби є респіраторний алкалоз внаслідок гіпервентиляції, ним були розроблені успішні способи профілактики та лікування гірської хвороби за допомогою кислих сумішей. Але особливо великі заслуги М.М. Сиротиніна у використанні гірського клімату та адаптації до середньо- та високогір’я, в тому числі методом ступінчастої адаптації до висоти, для лікування захворювань, пов’язаних з порушеннями транспорту кисню до тканин (бронхіальна астма, анемії, інші хвороби крові), та психічних розладів (шизофренія, депресії).
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). На підставі вивчення цих механізмів у новонароджених д.м.н. Н.В. Лауер заснувала відділ вікової фізіології, яким керувала з 1961 до 1973 р. Н.В. Лауер і А.З. Колчинська створили концепцію щодо кисневих режимів організму – сполучення основних кисневих параметрів (швидкості та інтенсивності масопереносу кисню і РО2) на найбільш значущих етапах транспорту кисню до тканин (1966), що надало можливість об’єктивно характеризувати гіпоксичні стани різного ґенезу.
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. Вчена послідовно втілювала ідеї М.М. Сиротиніна, що гіпоксичні впливи призводять до підвищення ефективності функціональної системи дихання, збільшення її потужності та аеробної продуктивності організму, підвищенню фізичної та розумової працездатності. Нею та її учнями (В.С. Міщенко, В.Д. Моногаров, Л.Г. Шахліна, П.О. Радзієвський, М.П. Закусило та ін.) було розкрито роль адаптації до гіпоксії у фізіології спорту. 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.
М.М. Середенко поглиблено розвивав ідеї досліджень вікової фізіології дихання та розвитку гіпоксичних станів Н.В. Лауер і А.З. Колчинської. Під його керівництвом вивчалися 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.). Було 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.
Під керівництвом І.М. Маньковської 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 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, та ін.). І.М. Маньковська успішно впровадила у дослідження молекулярно-генетичні методи, що відкрило нові можливості для встановлення механізмів цих процесів. До досягнень 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, О.О. Гончар, Т.І. Древицька та ін.). 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). 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 керівництвом І.М. Маньковської захищено 3 докторські 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. М.М. Середенко, д.м.н. І.М. Маньковській, проф. А.З. Колчинській, д.м.н. П.В. Білошицькому та акад. М.М. Сиротиніну (у складі колективу авторів) було присуджено у 2000 р. Державну премію України в галузі науки і техніки.
Сучасні дослідження високогірної гіпоксії
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.
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, 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 МЦ АМЕД. 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, М.Г. Козловська та ін.). В дослідженнях на трансгенних мишах визначаються особливості участі фактора росту IGF-1 у гіпоксичній відповіді різних типів клітин (О.Ю. Гарматіна, О.А. Качалова). Разом з цим продовжуються дослідження гіпо- і гіпероксичних режимів, фізичних і спортивних навантажень щодо встановлення механізмів адаптації до екстремальних умов (В.І. Портніченко, В.І. Ільїн, М.М. Філіппов, О.М. Бакуновський).
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).
В останні роки отримані нові дані щодо мітохондріальних, мікроРНК-залежних і молекулярних механізмів розвитку запалення та метаболічних розладів, зокрема, інсулінорезистентності і цукрового діабету 2 типу, а також їх коморбідного перебігу, розроблено або оптимізовано гіпокситерапевтичні та фармакологічні підходи до їх корекції. Розроблено і впроваджено в експериментальні дослідження нові моделі патологічних процесів на тваринах: інсулінорезистентності, цукрового діабету 2 типу, коморбідного перебігу запалення в легенях та метаболічних порушень, хронічної гіпоперфузії головного мозку, синдрому такотсубо; а також нові підходи для оцінки рецепторзалежної регуляції функції мітохондрій за допомогою нейтралізації специфічними антитілами in vitro (В.І. Портніченко, А.Г. Портниченко, В.І. Носар, М.О. Завгородній, П.К. Цапенко, М.Г. Козловська та ін.). Визначено участь мікроРНК-34а та -320 та лептину в реалізації ефектів інтервальних гіпоксичних впливів на метаболічні та оксидативні порушення при експериментальній інсулінорезистентності і діабеті 2 типу. На підставі одержаних результатів захищено 2 дисертації доктора наук і 5 дисертацій кандидата наук/доктора філософії.
За цикл наукових праць д.мед.н. Портніченко В.І., д.мед.н. Портниченко А.Г. і д.біол.н. Розова К.В. були нагороджені преміями НАН України ім. Ф.Г. Яновського (2022) і Д.Ф. Чеботарьова (2024). Мол. н. співр. М.Г. Козловська одержала стипендію НАН України для молодих вчених та Премію Конгресу з серцево-судинних, ниркових та глікемічних наслідків (CVOT Summit 2023, Munich, Germany) за найкращу доповідь.
Здійснюється міжнародне наукове співробітництво з French Institute of Health and Medical Research (Франція); Center for Molecular Cardiology, Zurich University (Швейцарія); Institute of Biology and Environmental Protection, Pomeranian University in Slupsk (Польща); Tallinn University of Technology (Естонія) та ін.