Naukowcy w dwóch niezależnych badaniach zidentyfikowali u myszy neurony, które odpowiadają za zachowania przypominające hibernację. Pobudzając te komórki, naukowcom udało się wprowadzić myszy w stan letargu trwający kilka dni. Odkrycia te mogą przybliżyć nas do wprowadzania ludzi w podobny stan, co może mieć szeroki zakres zastosowań w medycynie czy w dalekich podróżach kosmicznych.
Marzenia o hibernacji urzeka ludzką wyobraźnię i odzwierciedlone jest w licznych dziełach literatury czy kinematografii, jak chociażby „Śpiąca królewna”. Skuteczne spowolnienie procesów życiowych mogłoby na przykład dać czas na transport poważnie rannych osób do szpitali czy umożliwić ludziom podróż do odległych gwiazd.
Wiele zwierząt może przejść w stan hibernacji. Ich aktywność zanika, metabolizm zwalnia, obniża się temperatura ciała, spowalnia praca serca oraz większość procesów życiowych. Pozwala im to przetrwać trudne warunki środowiskowe, jak ostre zimy, susze, niedobory żywności i inne ekstremalne warunki środowiskowe. Chyba najbardziej znanym przykładem są niedźwiedzie, ale wśród hibernujących zwierząt są także jeże, chomiki, nietoperze czy lemury.
Spowolnienie procesów życiowych mające charakter przystosowawczy do niesprzyjających warunków środowiskowych ma różny stopień i jest różnie nazywane. Okresy letargu przypadające na okres zimowy i trwające kilka miesięcy nazywane są snem zimowym bądź hibernacją. Podobny stan przypadający na okres letni nazywany jest snem letnim bądź estywacją, choć wyraźnych różnic fizjologicznych między tymi stanami uczeni nie zidentyfikowali. Jest jeszcze torpor, czyli podobny stan o nieco mniejszym spowolnieniu procesów życiowych, ale trwający znacznie krócej, od kilku godzin do kilku dni.
Na łamach pisma „Nature” ukazały się dwie publikacje (1, 2) dotyczące możliwości wprowadzania myszy w stan hibernacji lub bardziej torporu. Naukowcy z Harvard Medical School (HMS) oraz badacze z University of Tsukuba w Japonii niezależnie od siebie odkryli u myszy populację neuronów w podwzgórzu, która kontroluje zachowanie przypominające hibernację. Oba zespoły wykazały, że stymulacja tych neuronów powoduje stan odrętwienia u gryzoni, który może potrwać przez kilka dni.
Autorzy badań przewidują, że dzięki lepszemu zrozumieniu tych procesów u myszy oraz w innych modelach zwierzęcych, być może pewnego dnia uda się wprowadzić w stan hibernacji także ludzi. Osiągnięcie to może mieć szeroki zakres zastosowań, jak zapobieganie uszkodzeniom mózgu podczas udarów, nowe terapie w leczeniu chorób metabolicznych, a nawet umożliwienie dalekich podróży kosmicznych.
- Wyobraźnia ma duże pole do popisu, gdy myślimy o potencjalnym wprowadzaniu w stan hibernacji ludzi. Czy moglibyśmy przedłużyć długość życia? Czy jest to sposób na wysyłanie ludzi na Marsa? Aby odpowiedzieć na te pytania, musimy najpierw poznać podstawowe procesy biologiczne rządzące hibernacją i toporem u zwierząt. Już to robimy. To nie jest science fiction – powiedziała współautorka badań Sinisa Hrvatin z HMS.
Aby zmniejszyć wydatek energetyczny w czasach niedoboru pożywienia lub niekorzystnych warunków środowiskowych, wiele zwierząt przechodzi w stan torporu. Hibernacja jest przedłużoną formą tego zjawiska. W przeciwieństwie do snu, torpor wiąże się z ogólnoustrojowymi zmianami fizjologicznymi, szczególnie znacznymi spadkami temperatury ciała i tłumieniem aktywności metabolicznej. Choć powszechne w naturze, biologiczne mechanizmy leżące u podstaw torporu i hibernacji są nadal słabo poznane.
Naukowcy z HMS badali myszy, które nie hibernują, ale doświadczają podobnych stanów, gdy brakuje pożywienia oraz w niskich temperaturach. Gryzonie w temperaturze około 20 stopni Celsjusza i do tego przy braku pożywienia wykazywały gwałtowny spadek aktywności, temperatury ciała i znaczne zmniejszenie tempa metabolizmu. Dla porównania, dobrze odżywione myszy zachowały normalną temperaturę ciała i normalnie zajmowały się sowimi mysimi sprawami.
- Dotychczas nie wiadomo było, w jaki sposób proces ten jest centralnie regulowany przez mózg - przyznała Hrvatin. Jej zespół koncentrował się na podwzgórzu - regionie mózgu, który kontroluje między innymi odczuwanie głodu, temperaturę ciała i sen. Udało im się oznaczyć neurony aktywowane podczas wejścia w stan torporu u myszy. Stymulacja zidentyfikowanych w ten sposób komórek pozwoliła na wprowadzenie w ten stan gryzoni, które były normalnie karmione oraz przebywały w wyższych temperaturach. Eksperymenty te potwierdziły, że torpor można rzeczywiście indukować.
Analiza neuronów aktywowanych przez torpor pozwoliła powiązać je z neuroprzekaźnikiem PACAP (polipeptyd aktywujący przysadkową cyklazę adenylanową). Kolejne eksperymenty, w których u myszy aktywowano tylko te komórki powiązane z PACAP, wykazały podobną indukcję torporu. I na odwrót, hamowanie aktywności neuronów związanych z PACAP zaburzyło stan letargu u myszy.
- Kiedy początkowy eksperyment zadziałał, wiedzieliśmy, że coś mamy - powiedział Michael Greenberg z HMS. - Zyskaliśmy kontrolę nad torporem u myszy, co pozwoliło nam następnie zidentyfikować podzbiór komórek biorących udział w tym procesie – dodał.
- U zwierząt ciepłokrwistych temperatura ciała jest ściśle regulowana. Na przykład spadek o kilka stopni u ludzi prowadzi do hipotermii i może być śmiertelny. Jednak torpor omija tę regulację i pozwala znacznie obniżyć temperaturę ciała. Badanie letargu u myszy pomaga nam zrozumieć, w jaki sposób można manipulować tą cechą u ciepłokrwistych zwierząt za pomocą procesów neuronowych – wyjaśnił Senmiao Sun, współautor publikacji.
W drugich badaniach japoński zespół analizował funkcje komórek podwzgórza, tzw. neuronów Q (neurony indukujące bezruch – quiescence), które uwalniają neuroprzekaźnik QRFP (peptyd amidowy RF). Początkowo zespół nie podejrzewał, że te neurony odgrywają jakąkolwiek rolę w stanie hibernacji lub torporu. Ale kiedy w badaniach zaczęli stymulować neurony Q u myszy stwierdzili, że powoduje to wejście w stan letargu.
Uczeni wykazali też, ze hamowanie aktywności neuronów Q zaburza ten stan. Jednak w przeciwieństwie do normalnego letargu u myszy, które trwa kilka godzin, stymulacja neuronów Q wywołała torpor trwający kilka dni.
Japońscy uczeni wskazali, że zidentyfikowane przez nich neurony Q uwalniają PACAP, co sugeruje, że ich neurony Q są podzbiorem tych, które odkrył zespół z HMS.
Uczeni z HMS przestrzegają przed hurraoptymizmem. Wskazują, że ich eksperymenty nie dowodzą jednoznacznie, że jeden konkretny typ neuronu kontroluje stan przypominający hibernację. To złożone zachowanie, które prawdopodobnie obejmuje wiele różnych typów komórek. Autorzy badań stwierdzili jednak, że dzięki określeniu konkretnego regionu mózgu i podzbioru neuronów biorących udział w tym procesie naukowcy mają teraz okazję do lepszego zrozumienia i kontrolowania tego stanu u myszy oraz być może w innych modelach zwierzęcych.
- Nasze odkrycia otwierają drzwi do lepszego zrozumienia, czym jest torpor i hibernacja oraz jak stany te wpływają na komórki, mózg i ciało. Możemy teraz badać, w jaki sposób zwierzęta wchodzą i wychodzą z tych stanów, identyfikować leżącą u ich podstaw biologię i myśleć o zastosowaniach u ludzi. To badanie stanowi jeden z kluczowych kroków tej podróży – powiedziała Hrvatin.
- Jest zbyt wcześnie, aby stwierdzić, czy możemy wywołać tego rodzaju stan u człowieka. Może to potencjalnie prowadzić nawet do przedłużenia długości życia. Hibernacja jest częstym tematem w science fiction i być może od tego zależy nasza zdolność przemierzania kosmosu - przyznał Greenberg.
Źródło: Harvard Medical School, The Scientist, fot. Eddy Van 3000/ Flickr/ CC BY-SA 2.0
