Winterslapende hamsters kunnen astronauten helpen

Hamsters in winterslaap zouden astronauten kunnen helpen lange missies te overleven

In een kleine gekoelde ruimte en in petrischalen over de hele wereld testen onderzoekers stilletjes waarom sommige dieren een groot deel van hun biologie maandenlang kunnen uitschakelen en ongeschonden weer tot leven kunnen komen. De verzamelnaam voor dat vermogen is torpor of winterslaap, en deze week rapporteerde een team dat werkt met Syrische hamsters en andere winterslapers over cellulaire mechanismen die spierherstelcellen behouden tijdens lange koude periodes. Onderzoekers stellen dat hamsters in winterslaap astronauten zouden kunnen helpen door te wijzen op aangrijpingspunten voor medicijnen of beschermende moleculen die spierverlies verminderen, de metabole behoeften verlagen en de tolerantie voor stressfactoren zoals straling verhogen — allemaal problemen die reizen van meerdere maanden voorbij een lage aardbaan bedreigen.

Hoe hamsters in winterslaap de cellen van astronauten zouden kunnen helpen

Spierafbraak is een van de meest directe gevaren van langdurige microzwaartekracht en immobiliteit. In de normale menselijke fysiologie zijn spierstamscellen (vaak satellietcellen genoemd) actief: ze repareren en herbouwen weefsel, maar dat gaat ten koste van energie en kwetsbaarheid tijdens stress. Een recente studie gepubliceerd in The FASEB Journal en gerapporteerd door Popular Science wees uit dat bij soorten die een winterslaap houden, die spierstamscellen niet afsterven tijdens de lange rustperiode; in plaats daarvan gaan ze over in een omkeerbare staat van lage activiteit die hun levensvatbaarheid behoudt.

Die cellulaire pauze draait niet alleen om energie. Het beschermt tegen de cascade van biochemische schade die gepaard gaat met een laag zuurstofgehalte, stralingsinslagen of herhaalde cycli van gebruik en onbruik. Leren hoe menselijke spierprogenitorcellen in een veilige, omkeerbare ruststand kunnen worden geschakeld, is een centraal doel als synthetische torpor ooit op mensen moet worden toegepast.

Waarom hamsters in winterslaap kunnen helpen bij het beschermen van spieren en mitochondriën

Aanvullend bewijs is afkomstig van andere winterslapers. Grondeekhoorns en beren vertonen in de winter gecoördineerde genetische en metabole verschuivingen: routes die verband houden met eiwitsynthese en het mTOR-signaleringsmechanisme gedragen zich anders dan bij uithongerende niet-winterslapers, en sommige winterslapers recyclen stikstof en metabolieten tijdens hun rusttoestand, mogelijk met hulp van darmmicroben. Samen verklaren deze mechanismen hoe dieren hun vetvrije massa en orgaanfunctie kunnen behouden ondanks maanden zonder voedsel of beweging — precies de resultaten die ingenieurs en medici hopen te reproduceren voor lange reizen of spoedeisende geneeskunde.

Torpor, de torpor-schakelaar en het vertalen van bevindingen bij dieren naar mensen

Torpor is geen gewone slaap; het is een gecontroleerde verlaging van de lichaamstemperatuur, hartslag en stofwisseling. Onderzoekers hebben op twee fronten vooruitgang geboekt. De eerste is farmacologisch: het activeren van adenosinereceptoren bij bepaalde dieren kan torpor-achtige toestanden opwekken. Het team van Kelly Drew en andere groepen ontdekten dat een medicijn dat adenosine nabootst, een diepe torpor induceert bij seizoensgebonden winterslapers, en gerelateerde verbindingen kunnen niet-winterslapers in het laboratorium in een staat van hypometabolisme brengen wanneer ze worden gecombineerd met andere interventies.

Klinische proeven op mensen staan nog in de kinderschoenen, maar zijn informatief. Teams van de University of Pittsburgh hebben de lichaamstemperatuur en het metabolisme van vrijwilligers veilig verlaagd met sedativa zoals dexmedetomidine in streng gecontroleerde omgevingen, waarbij een "twilight sleep" werd opgewekt waarin het metabolisme met ongeveer 20 procent daalde terwijl de vrijwilligers wekbaar bleven. Die experimenten tonen aan dat sommige kenmerken van klinisch nuttige hypothermie haalbaar zijn zonder beademingsapparatuur, maar ze leggen ook beperkingen bloot: er ontstaat tolerantie voor de medicijnen, de cardiovasculaire effecten kunnen groot zijn en de veiligheid op lange termijn is nog niet vastgesteld.

Voordelen voor missies en de geneeskunde

De potentiële voordelen van gecontroleerde torpor zijn eenvoudig op te sommen en moeilijk te overschatten. Een verminderde metabole behoefte zou de noodzaak voor voedsel, water en zuurstof tijdens lange missies verminderen, waardoor de massa van de nuttige lading afneemt en levensondersteunende systemen eenvoudiger worden. Een tragere stofwisseling kan ook stralingsschade beperken door de snelheid van celdeling en DNA-replicatie te verlagen — de momenten waarop ioniserende deeltjes de meeste schade aanrichten. Psychologisch gezien zou een gedeeltelijk in torpor verkerende bemanning minder last hebben van verveling en interpersoonlijke wrijving tijdens reizen die meerdere jaren duren.

Op aarde heeft gecontroleerd hypometabolisme onmiddellijke klinische waarde. Therapeutische hypothermie wordt al gebruikt om de hersenen te beschermen na een hartstilstand of traumatisch letsel. Protocollen voor conservering in noodsituaties die momenteel worden bestudeerd, zijn erop gericht het "gouden uur" van de chirurg te verlengen door patiënten met catastrofale bloedingen snel te koelen en te stabiliseren, zodat chirurgen letsels kunnen herstellen voordat reperfusieschade optreedt. Als de biologie van winterslaap veilig kan worden aangewend, zouden die technieken eenvoudiger en breder inzetbaar kunnen worden gemaakt.

Technische, biologische en ethische uitdagingen

Ondanks de snelle vooruitgang is de weg naar menselijke torpor bezaaid met risico's. Het menselijk lichaam vecht tegen kou: rillingen, dalingen in de bloeddruk en gevaarlijke aritmieën zijn veelvoorkomende reacties die in experimenten beademing, vloeistofondersteuning en invasieve monitoring vereisten. Kou onderdrukt ook de bloedstolling en immuunrespons; winterslapers accepteren die afruil, maar worden geconfronteerd met infecties en schimmeldreigingen waar niet-winterslapers geen last van hebben. Het vertalen van een in de hersenen gelokaliseerde torpor-trigger naar een intraveneus medicijn dat specifiek genoeg is om hartstilstand of toevallen te voorkomen, is een chemische en logistieke uitdaging.

De ruimte voegt complicaties toe: de langetermijneffecten van torpor op de botdichtheid, cognitie, microbiomen en reproductieve functies zijn onbekend. Er zijn ook ethische en operationele hindernissen voor gebruik in noodsituaties — veel potentiële patiënten kunnen geen toestemming geven — en voor bemande missies, waar geïnformeerde risicocalculaties op de lange termijn complex zijn. Er blijven technische uitdagingen: stasis-pods, robotische beweging van ledematen om de spierspanning te behouden, toediening van voedingsstoffen en betrouwbare protocollen voor het opnieuw opwarmen vereisen allemaal volwassen, redundante oplossingen voordat mensen routinematig voor maanden in torpor kunnen worden geplaatst.

Volgende stappen en de richting van het onderzoek

Onderzoekers volgen meerdere parallelle trajecten: moleculaire screening om cryoprotectieve metabolieten en eiwitten te vinden die ontdekt zijn bij hamsters en andere winterslapers; neurale mapping om voor mensen toegankelijke doelwitten in de hersencircuits te identificeren; en gecontroleerde humane studies die veilige hypothermieprotocollen uitbreiden en verfijnen. Instanties en instellingen, van ruimtevaartorganisaties tot universitaire laboratoria, financieren en coördineren het werk, in het besef dat vooruitgang kan doorstromen naar zowel de ruimtevaarttechniek als de dagelijkse geneeskunde.

Voor ingenieurs die missies ontwerpen, is de onmiddellijke conclusie pragmatisch: gedeeltelijke of intermitterende torpor die de metabole behoefte gedurende periodes halveert, is wellicht veel gemakkelijker te realiseren en nog steeds enorm voordelig. Voor biologen zullen de komende jaren uitwijzen of de beschermende trucs die bij Syrische hamsters, grondeekhoorns en beren worden gezien, kunnen worden teruggebracht tot moleculen of pathways die artsen kunnen activeren zonder hersenchirurgie. De wetenschap bevindt zich in veel opzichten nog in het preklinische stadium, maar de convergentie van laboratoriumbiologie, neurowetenschappen en ruimtevaartgeneeskunde betekent dat het idee dat "hamsters in winterslaap kunnen helpen" nu een concreet onderzoeksprogramma is in plaats van pure sciencefiction.

Bronnen

• The FASEB Journal (onderzoek naar het behoud van spierstamscellen tijdens winterslaap)
• Hiroshima University (Mitsunori Miyazaki en medewerkers)
• Yale School of Medicine, Gracheva Lab (onderzoek naar de winterslaap van grondeekhoorns)
• University of Pittsburgh Applied Physiology Lab (geïnduceerde hypothermie / klinische proeven op mensen)
• Oregon Health & Science University (onderzoek naar de neurale circuits van de torpor-schakelaar)
• University of Alaska Fairbanks en Washington State University Bear Research Center (fysiologie van de winterslaap)
• European Space Agency en NASA (financierings- en adviesprogramma's voor synthetische torpor)
• University Medical Centre Groningen (UMCG) en Safar Center for Resuscitation Research (hypothermie en conservering in noodsituaties)