Winterschlafende Hamster könnten Astronauten helfen

Winterschlaf-Hamster könnten Astronauten helfen, lange Missionen zu überstehen

In einem kleinen gekühlten Raum und in Petrischalen auf der ganzen Welt testen Forscher im Stillen, warum manche Tiere große Teile ihrer Biologie für Monate herunterfahren und unbeschadet wieder zurückkehren können. Die Kurzbezeichnung für diese Fähigkeit ist Torpor oder Winterschlaf (Hibernation), und diese Woche berichtete ein Team, das mit Syrischen Goldhamstern und anderen Winterschläfern arbeitet, über zelluläre Mechanismen, die Muskelreparaturzellen während langer Kälteperioden erhalten. Winterschlaf-Hamster könnten Astronauten helfen, so die Forscher, indem sie auf Wirkstoffziele oder schützende Moleküle hindeuten, die den Muskelschwund verringern, den Stoffwechselbedarf senken und die Toleranz gegenüber Belastungen wie Strahlung erhöhen – alles Probleme, die mehrmonatige Reisen über die erdnahe Umlaufbahn hinaus bedrohen.

Wie der Winterschlaf von Hamstern den Zellen von Astronauten helfen könnte

Muskelabbau ist eine der unmittelbarsten Gefahren bei längerer Mikrogravitation und Immobilität. In der normalen menschlichen Physiologie sind Muskelstammzellen (oft als Satellitenzellen bezeichnet) aktiv: Sie reparieren und bauen Gewebe wieder auf, allerdings um den Preis von Energie und einer gewissen Anfälligkeit bei Stress. Eine kürzlich in der Fachzeitschrift The FASEB Journal veröffentlichte und von Popular Science aufgegriffene Studie ergab, dass diese Muskelstammzellen bei im Winterschlaf befindlichen Arten während der langen Ruhephase nicht absterben; stattdessen treten sie in einen aktivitätsarmen, reversiblen Zustand ein, der ihre Lebensfähigkeit bewahrt.

Bei dieser zellulären Pause geht es nicht nur um Energie. Sie schützt vor der Kaskade biochemischer Schäden, die mit Sauerstoffmangel, Strahlungstreffern oder wiederholten Zyklen von Belastung und Nichtbenutzung einhergehen. Zu lernen, wie man menschliche Muskelvorläuferzellen in einen sicheren, reversiblen Ruhezustand versetzt, ist ein zentrales Ziel, falls ein künstlicher Torpor jemals beim Menschen angewendet werden soll.

Warum Winterschlaf-Hamster zum Schutz von Muskeln und Mitochondrien beitragen könnten

Ergänzende Belege stammen von anderen Winterschläfern. Ziesel und Bären zeigen im Winter koordinierte genetische und metabolische Verschiebungen: Signalwege, die mit der Proteinsynthese und dem mTOR-Signalweg verknüpft sind, verhalten sich anders als bei hungernden Nicht-Winterschläfern, und einige Winterschläfer recyceln während der Ruhephase Stickstoff und Metaboliten, möglicherweise mit Hilfe von Darmmikroben. Zusammen erklären diese Mechanismen, wie Tiere trotz monatelanger Abwesenheit von Nahrung oder Bewegung Magergewebe und Organfunktionen erhalten können – genau jene Ergebnisse, die Ingenieure und Mediziner für lange Reisen oder die Notfallmedizin zu reproduzieren hoffen.

Torpor, der Torpor-Schalter und die Übertragung von Tierergebnissen auf den Menschen

Torpor ist kein gewöhnlicher Schlaf; es ist eine kontrollierte Senkung der Körpertemperatur, der Herzfrequenz und der Stoffwechselrate. Forscher haben zwei Arten von Fortschritten gemacht. Einer ist pharmakologisch: Die Aktivierung von Adenosinrezeptoren kann bei bestimmten Tieren torporähnliche Zustände auslösen. Kelly Drew und andere Teams fanden heraus, dass ein Wirkstoff, der Adenosin nachahmt, bei saisonalen Winterschläfern einen tiefen Torpor induziert, und verwandte Verbindungen können in Laborumgebungen in Kombination mit anderen Interventionen auch Nicht-Winterschläfer in einen Hypometabolismus versetzen.

Versuche am Menschen stecken noch in den Kinderschuhen, sind aber aufschlussreich. Teams an der University of Pittsburgh haben in streng überwachten Umgebungen die Körpertemperatur und Stoffwechselrate von Freiwilligen mit Sedativa wie Dexmedetomidin sicher gesenkt und so einen „Dämmerschlaf“ erzeugt, in dem der Stoffwechsel um etwa 20 Prozent sank, während die Freiwilligen weckbar blieben. Diese Experimente zeigen, dass einige Merkmale einer klinisch nützlichen Hypothermie ohne Beatmungsgeräte erreichbar sind, offenbaren aber auch Grenzen: Es entwickelt sich eine Medikamententoleranz, die kardiovaskulären Auswirkungen können erheblich sein und die Langzeitsicherheit ist noch nicht erwiesen.

Vorteile für Missionen und Medizin

Die potenziellen Vorteile eines kontrollierten Torpors sind leicht aufzuzählen und schwer zu überschätzen. Ein verringerter Stoffwechselbedarf würde den Bedarf an Nahrung, Wasser und Sauerstoff auf langen Missionen senken, die Nutzlastmasse verringern und die Lebenserhaltungssysteme vereinfachen. Ein langsamerer Stoffwechsel könnte auch Strahlenschäden begrenzen, indem er die Rate der Zelteillung und DNA-Replikation reduziert – jene Zeitfenster, in denen ionisierende Partikel den größten Schaden anrichten. Psychologisch gesehen wäre eine teilweise in Torpor versetzte Crew auf mehrjährigen Reisen weniger Langeweile und zwischenmenschlichen Reibungen ausgesetzt.

Auf der Erde hat ein kontrollierter Hypometabolismus unmittelbaren klinischen Wert. Therapeutische Hypothermie wird bereits eingesetzt, um das Gehirn nach einem Herzstillstand oder traumatischen Verletzungen zu schützen. In der Untersuchung befindliche Protokolle zur Notfallkonservierung zielen darauf ab, die „Goldene Stunde“ des Chirurgen zu verlängern, indem Patienten mit katastrophalen Blutungen schnell abgekühlt und stabilisiert werden, damit Chirurgen Verletzungen beheben können, bevor Reperfusionsschäden eintreten. Wenn die Biologie des Winterschlafs sicher genutzt werden kann, könnten diese Techniken einfacher und breiter einsetzbar gemacht werden.

Technische, biologische und ethische Herausforderungen

Trotz schneller Fortschritte ist der Weg zum menschlichen Torpor mit Risiken gepflastert. Der menschliche Körper wehrt sich gegen Kälte: Kältezittern, Blutdruckabfälle und gefährliche Arrhythmien sind häufige Reaktionen, die in Experimenten Beatmung, Flüssigkeitszufuhr und invasive Überwachung erforderlich machten. Kälte unterdrückt auch die Blutgerinnung und Immunantworten; Winterschläfer akzeptieren diesen Kompromiss, sind jedoch Infektionen und Pilzbedrohungen ausgesetzt, denen Nicht-Winterschläfer nicht begegnen. Die Übertragung eines im Gehirn lokalisierten Torpor-Auslösers in ein intravenöses Medikament, das spezifisch genug ist, um Herzstillstand oder Krampfanfälle zu vermeiden, ist eine chemische und logistische Herausforderung.

Der Weltraum bringt zusätzliche Komplikationen mit sich: Die langfristigen Auswirkungen von Torpor auf Knochendichte, Kognition, Mikrobiome und Fortpflanzungsfunktionen sind unbekannt. Hinzu kommen ethische und operative Hürden für den Notfalleinsatz – viele potenzielle Patienten können nicht einwilligen – sowie für bemannte Missionen, bei denen informierte langfristige Risikoabwägungen komplex sind. Technische Probleme bestehen weiterhin: Stasis-Kapseln, robotische Gliedmaßenbewegungen zum Erhalt des Tonus, Nährstoffzufuhr und zuverlässige Protokolle zur Wiedererwärmung benötigen ausgereifte, redundante Lösungen, bevor Menschen routinemäßig für Monate in Torpor versetzt werden können.

Nächste Schritte und die Richtung der Forschung

Forscher verfolgen mehrere parallele Ansätze: molekulare Screenings, um kryoprotektive Metaboliten und Proteine zu finden, die in Hamstern und anderen Winterschläfern entdeckt wurden; neuronales Mapping, um für den Menschen zugängliche Zielstrukturen im Nervensystem zu identifizieren; und kontrollierte Humanstudien, die sichere Hypothermie-Protokolle erweitern und verfeinern. Behörden und Institutionen, von Weltraumorganisationen bis hin zu Universitätslaboren, finanzieren und koordinieren die Arbeit in der Erkenntnis, dass Fortschritte sowohl in die Raumfahrttechnik als auch in die alltägliche Medizin einfließen könnten.

Für Ingenieure, die Missionen planen, ist die unmittelbare Erkenntnis pragmatisch: Ein partieller oder intermittierender Torpor, der den Stoffwechselbedarf zeitweise halbiert, könnte weitaus einfacher zu erreichen und dennoch enorm vorteilhaft sein. Für Biologen werden die nächsten Jahre zeigen, ob die bei Syrischen Goldhamstern, Zieseln und Bären beobachteten Schutzmechanismen auf Moleküle oder Signalwege reduziert werden können, die Ärzte ohne Gehirnchirurgie aktivieren können. Die Wissenschaft ist in vielerlei Hinsicht noch vorklinisch, aber die Konvergenz von Laborbiologie, Neurowissenschaften und Weltraummedizin bedeutet, dass die Idee, dass „Winterschlaf-Hamster helfen könnten“, mittlerweile ein konkretes Forschungsprogramm und keine reine Science-Fiction mehr ist.

Quellen

• The FASEB Journal (Forschung zur Erhaltung von Muskelstammzellen im Winterschlaf)
• Hiroshima University (Mitsunori Miyazaki und Mitarbeiter)
• Yale School of Medicine, Gracheva Lab (Ziesel-Winterschlafforschung)
• University of Pittsburgh Applied Physiology Lab (induzierte Hypothermie / Humanstudien)
• Oregon Health & Science University (Forschung zu neuronalen Schaltkreisen des Torpor-Schalters)
• University of Alaska Fairbanks und Washington State University Bear Research Center (Physiologie des Winterschlafs)
• European Space Agency und NASA (Förder- und Beratungsprogramme für synthetischen Torpor)
• University Medical Centre Groningen (UMCG) und Safar Center for Resuscitation Research (Hypothermie und Notfallkonservierung)