Hibernujące chomiki mogą pomóc astronautom

Hibernujące chomiki mogą pomóc astronautom przetrwać długie misje

W niewielkim chłodzonym pomieszczeniu i na szalkach Petriego na całym świecie badacze po cichu sprawdzają, dlaczego niektóre zwierzęta potrafią wyłączyć znaczną część swojej biologii na miesiące i powrócić do pełni sił. Skrótowym określeniem tej zdolności jest torpor lub hibernacja, a w tym tygodniu zespół pracujący z chomikami syryjskimi i innymi zwierzętami hibernującymi poinformował o mechanizmach komórkowych, które chronią komórki regenerujące mięśnie podczas długich okresów zimna. Badacze twierdzą, że hibernujące chomiki mogą pomóc astronautom, wskazując cele dla leków lub cząsteczki ochronne, które ograniczają zanik mięśni, obniżają potrzeby metaboliczne i zwiększają tolerancję na stresory, takie jak promieniowanie – czyli problemy zagrażające wielomiesięcznym wyprawom poza niską orbitę okołoziemską.

Jak hibernujące chomiki mogą pomóc komórkom astronautów

Zanik mięśni jest jednym z najbardziej bezpośrednich zagrożeń związanych z przedłużoną mikrograwitacją i unieruchomieniem. W normalnej fizjologii człowieka mięśniowe komórki macierzyste (często nazywane komórkami satelitarnymi) są aktywne: naprawiają i odbudowują tkanki, ale kosztem energii i narażenia na uszkodzenia podczas stresu. Niedawne badanie opublikowane w The FASEB Journal i opisane przez Popular Science wykazało, że u gatunków hibernujących te mięśniowe komórki macierzyste nie obumierają podczas długiego uśpienia; zamiast tego wchodzą w odwracalny stan niskiej aktywności, który zachowuje ich żywotność.

Ta komórkowa pauza nie służy wyłącznie oszczędzaniu energii. Chroni ona przed kaskadą uszkodzeń biochemicznych towarzyszących niedotlenieniu, uderzeniom promieniowania czy powtarzającym się cyklom używania i nieużywania mięśni. Nauczenie się, jak przełączać ludzkie progenitory mięśniowe w bezpieczny, odwracalny stan spoczynku, jest głównym celem, jeśli syntetyczny torpor ma kiedykolwiek zostać zastosowany u ludzi.

Dlaczego hibernujące chomiki mogą pomóc chronić mięśnie i mitochondria

Uzupełniające dowody pochodzą od innych zwierząt hibernujących. Susły i niedźwiedzie wykazują zimą skoordynowane zmiany genetyczne i metaboliczne: szlaki powiązane z syntezą białek i sygnalizacją mTOR zachowują się inaczej niż u głodujących zwierząt niehibernujących, a niektóre zwierzęta hibernujące poddają recyklingowi azot i metabolity podczas uśpienia, prawdopodobnie z pomocą mikrobów jelitowych. Mechanizmy te wspólnie wyjaśniają, w jaki sposób zwierzęta mogą utrzymać beztłuszczową masę tkankową i funkcje narządów pomimo miesięcy bez jedzenia i ruchu – czyli dokładnie te efekty, które inżynierowie i lekarze mają nadzieję odtworzyć na potrzeby długich podróży lub medycyny ratunkowej.

Torpor, przełącznik torporu i przekładanie wyników badań na zwierzętach na ludzi

Torpor nie jest zwykłym snem; to kontrolowane obniżenie temperatury ciała, tętna i tempa metabolizmu. Badacze poczynili dwa rodzaje postępów. Pierwszy ma charakter farmakologiczny: aktywacja receptorów adenozynowych u niektórych zwierząt może wywołać stany przypominające torpor. Zespół Kelly Drew i inne grupy badawcze odkryły, że lek naśladujący adenozynę wywołuje głęboki torpor u hibernatorów sezonowych, a powiązane związki mogą wprowadzać zwierzęta niehibernujące w stan hipometabolizmu w warunkach laboratoryjnych, gdy zostaną połączone z innymi interwencjami.

Badania na ludziach są w fazie początkowej, ale dostarczają cennych informacji. Zespoły z University of Pittsburgh w ściśle monitorowanych warunkach bezpiecznie obniżyły temperaturę ciała i tempo metabolizmu ochotników za pomocą leków uspokajających, takich jak deksmedetomidyna, wywołując „półsen”, w którym metabolizm spadał o około 20 procent, podczas gdy ochotnicy pozostawali możliwi do wybudzenia. Eksperymenty te pokazują, że niektóre cechy użytecznej klinicznie hipotermii są możliwe do osiągnięcia bez respiratorów, ale ujawniają również ograniczenia: rozwija się tolerancja na leki, efekty sercowo-naczyniowe mogą być znaczne, a długoterminowe bezpieczeństwo nie zostało jeszcze ustalone.

Korzyści dla misji i medycyny

Potencjalne zalety kontrolowanego torporu są łatwe do wymienienia i trudne do przecenienia. Zmniejszone zapotrzebowanie metaboliczne ograniczyłoby zapotrzebowanie na żywność, wodę i tlen podczas długich misji, zmniejszając masę ładunku użytecznego i upraszczając systemy podtrzymywania życia. Wolniejszy metabolizm może również ograniczać uszkodzenia spowodowane promieniowaniem poprzez zmniejszenie tempa podziałów komórkowych i replikacji DNA – czyli okien czasowych, w których cząstki jonizujące wyrządzają najwięcej szkód. Pod względem psychologicznym, częściowo pogrążona w torporze załoga rzadziej doświadczałaby nudy i tarć międzyludzkich podczas wieloletnich podróży.

Na Ziemi kontrolowany hipometabolizm ma natychmiastową wartość kliniczną. Hipotermia terapeutyczna jest już stosowana w celu ochrony mózgu po zatrzymaniu krążenia i urazach. Badane protokoły zabezpieczania pacjentów w stanach nagłych mają na celu wydłużenie „złotej godziny” chirurga poprzez szybkie schłodzenie i stabilizację pacjentów z katastrofalnymi krwotokami, aby chirurdzy mogli opatrzyć urazy przed wystąpieniem uszkodzeń reperfuzyjnych. Jeśli biologia hibernacji zostanie bezpiecznie opanowana, techniki te mogłyby stać się prostsze i szerzej dostępne.

Wyzwania techniczne, biologiczne i etyczne

Pomimo szybkiego postępu, droga do ludzkiego torporu jest pełna zagrożeń. Ludzkie ciało walczy z zimnem: dreszcze, spadki ciśnienia krwi i niebezpieczne arytmie to częste reakcje, które w eksperymentach wymagały wentylacji, podawania płynów i inwazyjnego monitorowania. Zimno tłumi również krzepnięcie i odpowiedzi immunologiczne; zwierzęta hibernujące akceptują ten kompromis, ale narażone są na infekcje i zagrożenia grzybicze, których nie doświadczają zwierzęta niehibernujące. Przekształcenie wyzwalacza torporu zlokalizowanego w mózgu w lek podawany dożylnie, który jest wystarczająco specyficzny, by uniknąć zatrzymania krążenia lub drgawek, jest wyzwaniem chemicznym i logistycznym.

Kosmos dodaje kolejne komplikacje: długofalowe skutki torporu dla gęstości kości, funkcji poznawczych, mikrobiomów i funkcji rozrodczych są nieznane. Istnieją również przeszkody etyczne i operacyjne w przypadku użycia ratunkowego – wielu potencjalnych pacjentów nie może wyrazić zgody – oraz w misjach załogowych, gdzie świadome kalkulacje długoterminowego ryzyka są skomplikowane. Pozostają kwestie inżynieryjne: kapsuły hibernacyjne, robotyczne poruszanie kończynami w celu utrzymania napięcia mięśniowego, dostarczanie składników odżywczych i niezawodne protokoły ponownego ogrzewania wymagają dopracowanych, nadmiarowych rozwiązań, zanim ludzie będą mogli rutynowo przebywać w torporze przez miesiące.

Następne kroki i kierunki badań

Badacze podążają wieloma równoległymi ścieżkami: prowadzą badania przesiewowe na poziomie molekularnym w celu znalezienia krioprotekcyjnych metabolitów i białek odkrytych u chomików i innych zwierząt hibernujących; mapują połączenia nerwowe w celu zidentyfikowania celów w ludzkim mózgu; oraz prowadzą kontrolowane badania na ludziach, które rozszerzają i udoskonalają bezpieczne protokoły hipotermii. Agencje i instytucje, od agencji kosmicznych po laboratoria uniwersyteckie, finansują i koordynują te prace, uznając, że postępy mogą przynieść korzyści zarówno inżynierii kosmicznej, jak i medycynie codziennej.

Dla inżynierów projektujących misje natychmiastowy wniosek jest pragmatyczny: częściowy lub przerywany torpor, który o połowę zmniejsza zapotrzebowanie metaboliczne w określonych okresach, może być znacznie łatwiejszy do osiągnięcia i wciąż ogromnie korzystny. Dla biologów najbliższe lata będą testem, czy sztuczki ochronne zaobserwowane u chomików syryjskich, susłów i niedźwiedzi można sprowadzić do cząsteczek lub szlaków, które lekarze będą mogli aktywować bez operacji mózgu. Nauka ta pod wieloma względami jest wciąż w fazie przedklinicznej, ale zbieżność biologii laboratoryjnej, neuronauki i medycyny kosmicznej sprawia, że idea, iż „hibernujące chomiki mogą pomóc”, jest obecnie konkretnym programem badawczym, a nie czystą fantastyką naukową.

Sources

• The FASEB Journal (badania nad zachowaniem mięśniowych komórek macierzystych podczas hibernacji)
• Hiroshima University (Mitsunori Miyazaki i współpracownicy)
• Yale School of Medicine, Gracheva Lab (badania nad hibernacją susłów)
• University of Pittsburgh Applied Physiology Lab (indukowana hipotermia / badania na ludziach)
• Oregon Health & Science University (badania nad obwodami neuronalnymi przełącznika torporu)
• University of Alaska Fairbanks oraz Washington State University Bear Research Center (fizjologia hibernacji)
• European Space Agency i NASA (programy finansowania i doradcze dotyczące syntetycznego torporu)
• University Medical Centre Groningen (UMCG) i Safar Center for Resuscitation Research (hipotermia i zabezpieczanie pacjentów w stanach nagłych)