Hibernacja: do czego człowiek może jej potrzebować

Początki życia na Ziemi należały do niewielkich organizmów, które miały powolny metabolizm. Nie potrzebowały więc wiele energii. Korzystały z zewnętrznego źródła zasilania – Słońca. Z czasem zaczęło jednak przybywać form, które przyspieszały tempo metabolizmu, dzięki czemu mogły szybciej się poruszać, sprawniej trawić, częściej się rozmnażać. To jednak kosztuje wiele energii i wymaga stałej wysokiej temperatury. Część zwierząt zaczęła produkować ciepło we własnym ustroju.

Czy to sen?

Jedną z korzyści – szczególnie istotną dla pierwszych ssaków, które znajdowały się bardzo nisko na drabinie troficznej – była możliwość prowadzenia nocnego trybu życia i unikania dziennych drapieżników. Jednak raz uruchomiony szybki metabolizm trzeba utrzymywać, nawet wtedy, gdy warunki środowiskowe są niekorzystne i brakuje paliwa do jego napędzenia. W przeciwnym razie przystosowane do intensywnej pracy komórki ciała odmówią współpracy, a cały organizm umrze. Chyba że ustrój potrafiłby powrócić do stanu podstawowego, tymczasowo porzucić stałocieplność i maksymalnie spowolnić metabolizm. Tak bardzo, by zbliżyć się do torporu – subtelnej granicy pomiędzy życiem a śmiercią. Kiedy torpory następują jeden po drugim i przeplatane są tylko krótkimi okresami wzbudzonego metabolizmu, mówimy o hibernacji.

Ten stan często nazywany jest snem zimowym, ale to określenie niepoprawne. W czasie snu neurony nieustannie komunikują się ze sobą, wysyłając sygnały elektryczne z ogromną częstotliwością. Podczas torporu aktywność synaps przypomina zwalniający tempo film poklatkowy, a odczyt aktywności mózgu pokazuje wyraźnie, że w czasie jego trwania zwierzę w ogóle nie śpi. Zdecydowana większość komórek całkowicie zatrzymuje swoją pracę, zbliżając się do śmierci tak bardzo, jak to tylko możliwe bez osiągnięcia efektu nieodwracalnego. Do układu pokarmowego nie trafia żadne pożywienie, nawet woda, zatem żołądek przestaje wytwarzać soki. Nerki stają się „bezrobotne”, więc też się zatrzymują. Mięśnie wchodzą w etap pauzy. Podobnie wszystkie głodne energii tkanki. Zapotrzebowanie na tlen i składniki odżywcze staje się niemal zerowe. Serce i płuca redukują aktywność do 1–3 proc. normy. Spada temperatura ciała.

Taktykę przeczekiwania niekorzystnych warunków środowiskowych w stanie torporu stosuje wiele różnych ssaków – także torbacze, a nawet naczelne (lemury). To sugeruje, że zdolność do hibernacji mógł mieć nasz wspólny przodek. A to, zdaniem uczonych, oznacza, że w naszym genotypie wciąż mogą się znajdować geny odpowiedzialne za uruchamianie tego stanu. Tyle że nie są aktywne. Być może jednak może się to zmienić.

Czy astronauta musi tyć?

W 2013 r. naukowcy z Università di Bologna pierwszy raz w historii wprowadzili w torpor ssaki, które w naturalnych warunkach nigdy tego nie robią: szczury. Podali im substancje działające inhibicyjnie (hamująco) na grupę neuronów zlokalizowanych we fragmencie pnia mózgu odpowiedzialnym za regulację metabolizmu. Ciepłota ciała gryzoni zrównała się z temperaturą otoczenia, zwierzęta pogrążyły się w bezruchu, niemal nie oddychały. Wydawało się, że nie żyją, a w wielu ich organach, w tym w mózgu, zaczęło dochodzić do procesów degeneracyjnych. Jednak tuż po „obudzeniu się” zwierzęta powróciły do normalnej aktywności, ich narządy odzyskały sprawność, a układ nerwowy całkowicie się zregenerował.

Uczeni na tym nie poprzestali. W 2016 r. na łamach „Life Sciences in Space Re­search” opublikowali artykuł, w którym dowodzili, że realnym rozwiązaniem może się stać wprowadzanie w stan hibernacji także ludzi – na przykład na potrzeby podróży kosmicznych.

Głosy sceptyczne pojawiły się szybko i nie ucichły do dziś. Co ciekawe, dotyczą one wcale nie samej możliwości wywołania torporu u człowieka, lecz sensowności tego zabiegu. Kilka miesięcy temu w „Proceedings of the Royal Society B” ukazała się praca, z której wynika, że hibernujący astronauci nie przeżyliby nawet kilku tygodni. Człowiek jest – zdaniem autorów – zbyt dużym zwierzęciem, by podczas torporu oszczędzać energię.

Według obliczeń „gram nietoperza” zużywa w tym stanie mniej więcej tyle samo energii, co „gram niedźwiedzia”. Tylko że przeciętny niedźwiedź waży 20 tys. razy więcej niż przeciętny nietoperz. Ponadto normalny metabolizm małego zwierzęcia jest znacznie szybszy niż metabolizm dużego.

Przykładowo: serce nietoperza w spoczynku bije ok. 300 razy na minutę, a przeciętnego niedźwiedzia – około 80. Serce małego ssaka podczas torporu obniży więc swoją pracę do 1,3 proc. wyjściowej wartości, zaś serce dużego baribala do ok. 20 proc. To właśnie dlatego – uważają autorzy analizy – niedźwiedzie przed hibernacją muszą przybierać na wadze ok. 1,5 kg dziennie. Mimo to wiosną ważą nawet o jedną trzecią mniej niż jesienią. Dla porównania niewielkie nietoperze w ciągu miesiąca poprzedzającego hibernację przybierają przeciętnie tylko 0,07 g dziennie. Dlatego spadek do poziomu hibernacji jest korzystniejszy dla niewielkich ssaków.

Nawet gdyby udało się wywołać stan syntetycznej hibernacji u astronautów, to na potrzeby kilkutygodniowego torporu musieliby oni przybrać ok. 30 kg masy ciała. Ale zdaniem uczonych z Università di Bologna takie podejście do tematu jest błędne. Przytycie nie byłoby konieczne, gdyby kosmonauta na czas torporu był dożywiany np. za pomocą sondy żołądkowej. Wtedy jego organizm nie oszczędzałby energii, ale zyskałby coś ważniejszego: odporność na uszkodzenia. Czyli skorzystał z radiorezystencji.

Ciało astronautów jest narażone na znaczne dawki promieniowania kosmicznego, powodującego uszkodzenia DNA. Jednak rezultaty uzyskane przez kilka zespołów badawczych (w tym z Europejskiej Agencji Kosmicznej) dowodzą, że hibernacja znacznie zmniejsza te szkody. Takie zjawisko zaobserwowano już w latach 60. XX w., ale dokładny mechanizm nadal nie jest znany. Być może – sądzą uczeni – niemal zatrzymany metabolizm daje przestrzeń dla procesów naprawczych, które są niewydajne, gdy ustrój pracuje pełną parą. Na podobnej zasadzie, na jakiej nie sposób wymienić uszkodzonych części w pojeździe, dopóki ten jest w ruchu.

Z analiz przeprowadzonych przez zespół neurobiolożki radiacyjnej Anggraeini Puspitasari opublikowanych w ubiegłym roku w „Life” wynika, że efekt protekcyjny występuje również wtedy, gdy zwierzę wystawione na wpływ promieniowania znajduje się w torporze indukowanym sztucznie. To otwiera nowe możliwości – i podczas planowania podboju kosmosu, i znacznie bliżej. Na Ziemi.

Czy rak się zabije?

Radioterapia bywa najskuteczniejszą metodą leczenia niektórych typów nowotworów. Niestety, uszkadza ona również zdrowe komórki. Gdyby udało się je wprowadzać w stan hibernacji, wytrzymałyby one znacznie większe dawki promieniowania niż normalnie. Tym samym w obszarach patologicznych łatwiej byłoby osiągnąć efekt terapeutyczny.

Wprowadzenie w stan hibernacji samego nowotworu mogłoby zaś zahamować jego wzrost. Ogromne zapotrzebowanie tych patologicznych tkanek na tlen i składniki odżywcze trudno zaspokoić nawet przy metabolizmie na normalnym poziomie, a co dopiero przy niemal wstrzymanym. „Głodujący” nowotwór mógłby więc przestać proliferować, czyli namnażać swoje komórki. Testy przeprowadzone przez zespół irańskich uczonych z University of Isfahan, których wyniki opublikowano kilka miesięcy temu w „Scientific Reports”, wskazują, że nawet samo zalanie guza (przerzutowego raka piersi) osoczem hibernującego zwierzęcia (karpia) pozwala cofnąć niektóre zmiany i pobudzić apoptozę, czyli prawidłową, zaprogramowaną śmierć komórek, której tkanki nowotworowe zwykle unikają.

Taki wybiórczy torpor, obejmujący tylko część narządu, jest w tej chwili niemożliwy do przeprowadzenia, ale przyszłość może przynieść nowe rozwiązania. Przykładowo, jednym ze sposobów wprawiania organizmu w stan hibernacji farmakologicznej jest podanie zwierzęciu AMP (adenozynomonofosforanu). Mechanizm, który to umożliwia, nie został jeszcze w pełni poznany, jednak wiadomo, że ta lub inne substancje służące do indukowania sztucznego torporu spowalniają metabolizm tkanek w podobny sposób, w jaki dzieje się to w organizmie naturalnie hibernującego zwierzęcia.

Być może jednak już wkrótce torpor będzie wykorzystywany do ratowania życia pacjentów znajdujących się w stanie krytycznym. Inspiracją do tego pomysłu były wypadki z przeszłości – takie jak przypadek czteroletniego chłopca, pod którym zapadł się lód na jeziorze oraz narciarki, która uległa wypadkowi i straciła przytomność w zimowym potoku górskim.

Czy pacjent powinien marznąć?

Oboje spędzili w lodowatym zimnie ponad 80 min. Praca ich serc niemal ustała. Temperatura ciała chłopca spadła do 19,7, kobiety – 13,7 st. C. Lekarze stwierdzili śmierć kliniczną. W jednym i drugim przypadku okazało się jednak, że po przywiezieniu do szpitala, ogrzaniu ciał pacjentów i przeprowadzeniu resuscytacji udało się przywrócić funkcje życiowe. Chłopiec doszedł do zdrowia w ciągu dwóch tygodni. Narciarkę czekała długotrwała rehabilitacja, po której jednak udało się wrócić do normalnego funkcjonowania – doświadczała jedynie niewielkich dysfunkcji dłoni i stóp spowodowanych lokalnym uszkodzeniem nerwów.

Autorzy publikacji, w których opisano tych pacjentów – chłopca w „Prehospital and Disaster Medicine” z 1995 r.; kobiety – w „The Lancet” z 2000 r. – uważają, że te zaskakujące przypadki przywrócenia funkcji życiowych były możliwe właśnie dzięki skrajnej hipotermii. W jej przebiegu bowiem spada tempo metabolizmu, a tym samym – zmniejsza się zapotrzebowanie tkanek na tlen i spowalniają procesy degeneracyjne.

Te obserwacje sprawiły, że w niektórych ośrodkach – np. w School of Medicine of University of Maryland – prowadzi się obecnie badania nad procedurą celowego obniżania temperatury ciała pacjentów, którzy doznali urazu zagrażającego życiu. Praktyka ta zakłada bardzo szybkie przetoczenie do krwiobiegu poszkodowanego zimnego roztworu soli fizjologicznej, co ma doprowadzić do gwałtownego obniżenia temperatury jego ciała do 10 st. C. Medycy zyskują czas potrzebny na dowiezienie pacjenta do specjalistycznego ośrodka, zatamowanie źródeł krwotoków oraz podłączenie do tzw. płucoserca, czyli urządzenia stosowanego do utrzymania tymczasowego krążenia pozaustrojowego. Wyników tych testów należy się spodziewać za kilka miesięcy.

Wysoka temperatura ciała i szybki metabolizm ułatwiły kiedyś ssakom, w tym nam, podbój Ziemi. Teraz okazuje się jednak, że posiadanie zewnętrznego „termostatu” niesie ze sobą wiele korzyści. Być może w przyszłości uda się nam czerpać z jednego i drugiego rozwiązania.