Kış Uykusuna Yatan Hamsterlar Astronotlara Yardımcı Olabilir

Kış uykusuna yatan hamsterlar astronotların uzun görevlerde hayatta kalmasına yardımcı olabilir

Dünyanın dört bir yanındaki küçük soğutmalı odalarda ve petri kaplarında araştırmacılar, bazı hayvanların biyolojilerinin büyük bir kısmını neden aylarca kapatabildiğini ve sonra neden hiçbir hasar almadan geri dönebildiğini sessizce test ediyorlar. Bu yeteneğin kısaltması torpor veya kış uykusudur; bu hafta Suriye hamsterları ve kış uykusuna yatan diğer canlılarla çalışan bir ekip, uzun süren soğuk dönemlerde kas onarım hücrelerini koruyan hücresel mekanizmalar bildirdi. Araştırmacılar, kış uykusuna yatan hamsterların kas kaybını azaltan, metabolik ihtiyaçları düşüren ve radyasyon gibi streslere karşı toleransı artıran ilaç hedeflerine veya koruyucu moleküllere işaret ederek astronotlara yardımcı olabileceğini söylüyor; bunların tümü, alçak Dünya yörüngesinin ötesindeki çok aylık yolculukları tehdit eden sorunlardır.

Kış uykusuna yatan hamsterlar astronotların hücrelerine nasıl yardımcı olabilir?

Kas erimesi, uzun süreli mikroyerçekimi ve hareketsizliğin en doğrudan tehlikelerinden biridir. Normal insan fizyolojisinde, kas kök hücreleri (genellikle uydu hücreleri olarak adlandırılır) aktiftir: dokuyu onarır ve yeniden inşa ederler, ancak bu durum enerji maliyetine ve stres sırasında savunmasızlığa yol açar. The FASEB Journal'da yayımlanan ve Popular Science tarafından aktarılan yeni bir çalışma, kış uykusuna yatan türlerde bu kas kök hücrelerinin uzun süreli uyku sırasında ölmediğini; bunun yerine canlılıklarını koruyan düşük aktiviteli, geri dönüşümlü bir duruma geçtiklerini buldu.

Bu hücresel duraklama sadece enerjiyle ilgili değildir. Düşük oksijen, radyasyon darbeleri veya tekrarlanan kullanım ve kullanılmama döngülerine eşlik eden biyokimyasal hasar zincirine karşı koruma sağlar. İnsan kas öncül hücrelerini güvenli, geri dönüşümlü bir rölanti durumuna nasıl geçireceğimizi öğrenmek, sentetik torporun insanlara uygulanabilmesi için temel bir hedeftir.

Kış uykusuna yatan hamsterlar kasların ve mitokondrilerin korunmasına neden yardımcı olabilir?

Tamamlayıcı kanıtlar kış uykusuna yatan diğer hayvanlardan gelmektedir. Yer sincapları ve ayılar kışın koordineli genetik ve metabolik değişimler sergiler: protein sentezi ve mTOR sinyal düzeneği ile bağlantılı yollar, açlık çeken ve kış uykusuna yatmayan canlılardan farklı davranır. Bazı hibernatörler, muhtemelen bağırsak mikroplarının yardımıyla, uyku sırasında azotu ve metabolitleri geri dönüştürür. Bu mekanizmalar hep birlikte, hayvanların aylar süren gıdasızlık ve hareketsizliğe rağmen yağsız dokuyu ve organ fonksiyonlarını nasıl koruyabildiğini açıklar; bu, mühendislerin ve sağlık görevlilerinin uzun yolculuklar veya acil tıp için yeniden üretmeyi umdukları sonuçların ta kendisidir.

Torpor, torpor şalteri ve hayvan bulgularının insanlara aktarılması

Torpor sıradan bir uyku değildir; vücut sıcaklığının, kalp atış hızının ve metabolizma hızının kontrollü bir şekilde düşürülmesidir. Araştırmacılar iki tür ilerleme kaydettiler. Birincisi farmakolojiktir: belirli hayvanlarda adenozin reseptörlerini aktive etmek torpor benzeri durumları tetikleyebilir. Kelly Drew ve diğer ekipler, adenozini taklit eden bir ilacın mevsimsel hibernatörlerde derin torporu tetiklediğini ve ilgili bileşiklerin, diğer müdahalelerle birleştirildiğinde laboratuvar ortamlarında hibernatör olmayanları hipometabolizmaya itebileceğini buldular.

İnsan deneyleri henüz başlangıç aşamasında olsa da bilgilendiricidir. University of Pittsburgh'daki ekipler, sıkı bir şekilde izlenen ortamlarda deksmedetomidin gibi sedatiflerle gönüllülerin vücut sıcaklığını ve metabolizma hızını güvenli bir şekilde düşürerek, gönüllüler uyandırılabilir durumda kalırken metabolizmanın yüzde 20 oranında düştüğü bir "alacakaranlık uykusu" sağladılar. Bu deneyler, klinik olarak yararlı hipoterminin bazı özelliklerinin ventilatörler olmadan elde edilebileceğini gösteriyor ancak aynı zamanda sınırları da ortaya koyuyor: ilaç toleransı gelişiyor, kardiyovasküler etkiler büyük olabiliyor ve uzun vadeli güvenlik henüz kanıtlanmış değil.

Görevler ve tıp için faydalar

Kontrollü torporun potansiyel artıları kolayca listelenebilir ve önemini vurgulamak zordur. Azalan metabolik talep, uzun görevlerde gıda, su ve oksijen gereksinimlerini azaltarak faydalı yük kütlesini küçültecek ve yaşam destek sistemlerini basitleştirecektir. Daha yavaş metabolizma, hücre bölünmesi ve DNA replikasyonu hızını (iyonlaştırıcı parçacıkların en fazla zarara yol açtığı pencereler) azaltarak radyasyon hasarını da sınırlayabilir. Psikolojik olarak, kısmen torpor halindeki bir mürettebat, çok yıllı yolculuklarda daha az can sıkıntısı ve kişilerarası sürtüşmeyle karşılaşacaktır.

Dünya üzerinde ise kontrollü hipometabolizmanın acil klinik değeri vardır. Terapötik hipotermi, kalp durması ve travmatik yaralanma sonrası beyinleri korumak için zaten kullanılmaktadır. İncelenmekte olan acil durum koruma protokolleri, katastrofik kanaması olan hastaları hızla soğutup stabilize ederek cerrahın "altın saatini" uzatmayı amaçlıyor; böylece cerrahlar reperfüzyon hasarı oluşmadan yaralanmaları düzeltebilirler. Kış uykusu biyolojisi güvenli bir şekilde kullanılabilirse, bu teknikler daha basit ve daha yaygın olarak uygulanabilir hale getirilebilir.

Teknik, biyolojik ve etik zorluklar

Hızlı ilerlemeye rağmen, insan torporuna giden yol risklerle doludur. İnsan vücudu soğukla savaşır: titreme, kan basıncı düşüşleri ve tehlikeli aritmiler, deneylerde ventilasyon, sıvı desteği ve invaziv izleme gerektiren yaygın tepkilerdir. Soğuk ayrıca pıhtılaşmayı ve bağışıklık tepkilerini de baskılar; hibernatörler bu değiş tokuşu kabul ederler ancak hibernatör olmayanların karşılaşmadığı enfeksiyonlar ve mantar tehditleriyle karşı karşıya kalırlar. Beyne lokalize bir torpor tetikleyicisini, kalp durmasını veya nöbetleri önleyecek kadar spesifik bir IV ilaca dönüştürmek kimyasal ve uygulama açısından büyük bir zorluktur.

Uzay, karmaşıklığı artırıyor: torporun kemik yoğunluğu, biliş, mikrobiyomlar ve üreme fonksiyonu üzerindeki uzun vadeli etkileri bilinmiyor. Ayrıca, potansiyel hastaların çoğunun onay veremediği acil durum kullanımı için ve bilgilendirilmiş uzun vadeli risk hesaplamalarının karmaşık olduğu mürettebatlı görevler için etik ve operasyonel engeller bulunmaktadır. Mühendislik sorunları da devam ediyor: insanlar rutin olarak aylarca torpora yatırılmadan önce staz kabinleri, tonusu korumak için robotik uzuv hareketi, besin iletimi ve güvenilir yeniden ısıtma protokollerinin hepsinin olgun ve yedekli çözümlere ihtiyacı var.

Sonraki adımlar ve araştırmaların yönü

Araştırmacılar birbirine paralel birden fazla yol izliyorlar: hamsterlarda ve diğer hibernatörlerde keşfedilen kriyoprotektif metabolitleri ve proteinleri bulmak için moleküler taramalar; insan tarafından erişilebilir devre hedeflerini belirlemek için sinirsel haritalama; ve güvenli hipotermi protokollerini genişleten ve geliştiren kontrollü insan çalışmaları. Uzay ajanslarından üniversite laboratuvarlarına kadar birçok kurum ve kuruluş, bu ilerlemenin hem uzay mühendisliğine hem de günlük tıbba yansıyabileceğini kabul ederek çalışmaları finanse ediyor ve koordine ediyor.

Görev tasarlayan mühendisler için acil çıkarım pragmatiktir: metabolik talebi dönemler boyunca yarıya indiren kısmi veya aralıklı torpora ulaşmak çok daha kolay olabilir ve yine de büyük fayda sağlayabilir. Biyologlar için önümüzdeki birkaç yıl, Suriye hamsterlarında, yer sincaplarında ve ayılarda görülen koruyucu numaraların, doktorların beyin cerrahisi olmadan aktive edebilecekleri moleküllere veya yollara indirgenip indirgenemeyeceğini test edecek. Bilim birçok açıdan hala klinik öncesi aşamada, ancak laboratuvar biyolojisi, sinirbilim ve uzay tıbbının yakınlaşması, "kış uykusuna yatan hamsterlar yardımcı olabilir" fikrinin artık saf bir bilim kurgu değil, somut bir araştırma programı olduğu anlamına geliyor.

Kaynaklar

• The FASEB Journal (kış uykusunda kas kök hücresi korunması üzerine araştırma)
• Hiroshima University (Mitsunori Miyazaki ve iş arkadaşları)
• Yale School of Medicine, Gracheva Lab (yer sincabı kış uykusu araştırması)
• University of Pittsburgh Applied Physiology Lab (uyarılmış hipotermi / insan deneyleri)
• Oregon Health & Science University (torpor şalteri sinir devresi araştırması)
• University of Alaska Fairbanks ve Washington State University Bear Research Center (kış uykusu fizyolojisi)
• European Space Agency ve NASA (sentetik torpor üzerine finansman ve danışma programları)
• University Medical Centre Groningen (UMCG) ve Safar Center for Resuscitation Research (hipotermi ve acil koruma)