Спячка хомяков может помочь астронавтам

Хомяки в спячке могут помочь астронавтам выжить в длительных миссиях

В небольшом охлаждаемом помещении и в чашках Петри по всему миру исследователи незаметно изучают вопрос о том, почему некоторые животные способны на месяцы отключать большую часть своей биологии и возвращаться к жизни невредимыми. Краткое название этой способности — торпор или спячка, и на этой неделе команда, работающая с сирийскими хомяками и другими зимующими животными, сообщила о клеточных механизмах, которые сохраняют клетки регенерации мышц во время длительных периодов холода. По словам исследователей, хомяки в спячке могут помочь астронавтам, указывая на мишени для лекарств или защитные молекулы, которые уменьшают потерю мышечной массы, снижают потребности в обмене веществ и повышают устойчивость к таким стрессам, как радиация — всё это проблемы, которые угрожают многомесячным полетам за пределы низкой околоземной орбиты.

Как клетки хомяков в спячке могут помочь астронавтам

Атрофия мышц — одна из самых серьезных угроз при длительном нахождении в условиях микрогравитации и неподвижности. В нормальной физиологии человека мышечные стволовые клетки (часто называемые клетками-сателлитами) активны: они восстанавливают и перестраивают ткани, но ценой затрат энергии и уязвимости во время стресса. Недавнее исследование, опубликованное в The FASEB Journal и освещенное в Popular Science, показало, что у зимующих видов эти мышечные стволовые клетки не погибают во время длительного покоя; вместо этого они переходят в обратимое состояние низкой активности, которое сохраняет их жизнеспособность.

Эта клеточная пауза связана не только с энергией. Она защищает от каскада биохимических повреждений, сопровождающих гипоксию, радиационное облучение или повторяющиеся циклы использования и бездействия мышц. Обучение тому, как переводить мышечные предшественники человека в безопасное, обратимое состояние «холостого хода», является центральной целью для возможного применения искусственного торпора к людям.

Почему хомяки в спячке могут помочь защитить мышцы и митохондрии

Дополнительные доказательства получены при изучении других животных. Суслики и медведи демонстрируют скоординированные генетические и метаболические сдвиги зимой: пути, связанные с синтезом белка и регуляцией сигнального пути mTOR, ведут себя иначе, чем у голодающих незимующих животных, а некоторые виды перерабатывают азот и метаболиты во время спячки, возможно, при помощи кишечных микробов. В совокупности эти механизмы объясняют, как животные могут сохранять безжировую ткань и функции органов, несмотря на месяцы без еды и движения — именно этих результатов инженеры и медики надеются добиться для длительных путешествий или экстренной медицины.

Торпор, переключатель торпора и перенос результатов исследований на людей

Торпор — это не обычный сон; это контролируемое снижение температуры тела, частоты сердечных сокращений и уровня метаболизма. Исследователи добились прогресса в двух направлениях. Первое — фармакологическое: активация аденозиновых рецепторов у некоторых животных может вызывать состояния, подобные торпору. Келли Дрю и другие группы обнаружили, что препарат, имитирующий аденозин, вызывает глубокий торпор у сезонно зимующих животных, а родственные соединения могут переводить незимующих животных в состояние гипометаболизма в лабораторных условиях в сочетании с другими вмешательствами.

Испытания на людях находятся на начальной стадии, но они информативны. Группы в Питтсбургском университете безопасно снижали температуру тела и скорость метаболизма у добровольцев с помощью седативных средств, таких как дексмедетомидин, в условиях строгого мониторинга, вызывая «сумеречный сон», при котором метаболизм снижался примерно на 20 процентов, в то время как добровольцев можно было разбудить. Эти эксперименты показывают, что некоторые особенности клинически полезной гипотермии достижимы без аппаратов ИВЛ, но они также выявляют ограничения: развивается лекарственная толерантность, сердечно-сосудистые эффекты могут быть значительными, а долгосрочная безопасность еще не установлена.

Преимущества для миссий и медицины

Потенциальные плюсы контролируемого торпора легко перечислить, и их трудно переоценить. Снижение метаболических потребностей сократит потребность в пище, воде и кислороде в длительных миссиях, уменьшая массу полезной нагрузки и упрощая системы жизнеобеспечения. Замедление метаболизма также может ограничить радиационное поражение за счет снижения скорости деления клеток и репликации ДНК — периодов, в которые ионизирующие частицы наносят наибольший вред. Психологически частично находящийся в состоянии торпора экипаж будет меньше страдать от скуки и межличностных трений в многолетних путешествиях.

На Земле контролируемый гипометаболизм имеет немедленную клиническую ценность. Терапевтическая гипотермия уже используется для защиты мозга после остановки сердца и травм. Изучаемые протоколы экстренной консервации направлены на продление «золотого часа» хирурга путем быстрого охлаждения и стабилизации пациентов с катастрофическим кровотечением, чтобы врачи могли устранить повреждения до начала реперфузионного повреждения. Если биологию спячки удастся безопасно приручить, эти методы могут стать проще и доступнее.

Технические, биологические и этические проблемы

Несмотря на быстрый прогресс, путь к торпору у человека сопряжен с рисками. Человеческое тело борется с холодом: дрожь, падение кровяного давления и опасные аритмии являются типичными реакциями, которые в экспериментах требовали вентиляции легких, инфузионной поддержки и инвазивного мониторинга. Холод также подавляет свертываемость крови и иммунные реакции; зимующие животные принимают этот компромисс, но сталкиваются с инфекциями и грибковыми угрозами, которых нет у незимующих. Превращение триггера торпора, локализованного в мозге, во внутривенный препарат, достаточно специфичный, чтобы избежать остановки сердца или судорог, является сложной химической задачей.

Космос добавляет сложностей: долгосрочное влияние торпора на плотность костей, когнитивные функции, микробиом и репродуктивную функцию неизвестно. Существуют также этические и операционные препятствия для экстренного использования — многие потенциальные пациенты не могут дать согласие — и для пилотируемых миссий, где расчеты информированных долгосрочных рисков сложны. Остаются инженерные вопросы: стазис-капсулы, роботизированное движение конечностей для поддержания тонуса, доставка питательных веществ и надежные протоколы повторного согревания — всё это требует отработанных, избыточных решений, прежде чем людей можно будет рутинно погружать в торпор на месяцы.

Следующие шаги и направления исследований

Исследователи работают по нескольким параллельным направлениям: молекулярный скрининг для поиска криопротекторных метаболитов и белков, обнаруженных у хомяков и других зимующих животных; нейронное картирование для идентификации доступных для воздействия на человека мишеней в нейронных цепях; и контролируемые исследования на людях, которые расширяют и совершенствуют протоколы безопасной гипотермии. Организации и институты, от космических агентств до университетских лабораторий, финансируют и координируют работу, признавая, что прогресс может принести пользу как в космической технике, так и в повседневной медицине.

Для инженеров, проектирующих миссии, немедленный вывод носит прагматичный характер: частичный или прерывистый торпор, сокращающий потребность в метаболизме наполовину на определенные периоды, может быть гораздо проще в достижении и при этом приносить огромную пользу. Для биологов следующие несколько лет станут проверкой того, можно ли свести защитные механизмы, наблюдаемые у сирийских хомяков, сусликов и медведей, к молекулам или путям, которые врачи смогут активировать без хирургического вмешательства на мозге. Наука во многих отношениях всё еще находится на доклинической стадии, но сближение лабораторной биологии, нейробиологии и космической медицины означает, что идея о том, что «хомяки в спячке могут помочь», теперь является конкретной исследовательской программой, а не чистой научной фантастикой.

Источники

• The FASEB Journal (исследование сохранения мышечных стволовых клеток во время спячки)
• Университет Хиросимы (Мицунори Миядзаки и коллеги)
• Медицинская школа Йельского университета, лаборатория Грачевой (исследование спячки сусликов)
• Лаборатория прикладной физиологии Питтсбургского университета (индуцированная гипотермия / испытания на людях)
• Орегонский университет здоровья и науки (исследование нейронных цепей переключателя торпора)
• Университет Аляски в Фэрбенксе и Центр изучения медведей Университета штата Вашингтон (физиология спячки)
• Европейское космическое агентство и NASA (программы финансирования и консультирования по искусственному торпору)
• Медицинский центр Университета Гронингена (UMCG) и Центр исследований реанимации имени Сафара (гипотермия и экстренная консервация)