Полное отключение: спячка для человека

Зибероа Маркос, автор научных статей и научный руководитель еженедельного ТВ-журнала Испанской Телевещательной Корпорации, Барселона.

С наступлением зимы многие животные эффективно отключают свой организм для того, чтобы выжить. Подобная технология могла бы помочь людям при травмах.

В долгие холодные зимние дни вам, возможно, нравится рано ложиться спать и бывает трудно вставать по утрам. Люди переживают зиму благодаря тёплой одежде, включая обратный цикл кондиционирования воздуха и перемещаясь из обогретых автомашин в обогретые офисы. Животные переживают зиму, мигрируя в места, где более мягкий климат, оставаясь активными, утолщая свою «шубку» или изменяя пищевые привычки. Но самый экстремальный способ – полное отключение.

От пяти до семи с половиной месяцев в году чёрные и бурые медведи пребывают в спячке. Они не едят, не пьют, не выделяют отходов и не двигаются. Они уменьшают свой метаболизм на 50-75% от нормального уровня. Они делают один вдох каждые 15-60 секунд, и их сердцебиение уменьшатся примерно с 50 до 10 ударов в минуту.

Спячка – это природная стратегия для преодоления экстремальных условий окружающей среды. Установив метаболизм тела на уровне медленного движения, некоторые животные сокращают расход энергии более чем наполовину, на то время, когда не хватает пищи, а позднее возвращаются в активное состояние, как если бы ничего не произошло.

Это стратегия, которую применяют также белки, сурки, ежи, летучие мыши и даже толстохвостый карликовый мадагаскарский лемур. «Все сухопутные млекопитающие, за исключением копытных (в основном копытные млекопитающие) и зайцеобразных (зайцы и кролики), имеют по меньшей один вид, впадающий в спячку», - рассказывает молекулярный биолог Мэтью Эндрюс, который изучал животный анабиоз в университете Миннесоты Дулут США последние 12 лет. Впадающие в спячку животные настолько широко распространены в природе, что учёные думают, что генетическая программа, необходимая для этого состояния, является общей для всех млекопитающих. Отсюда возникает вопрос: почему некоторые виды засыпают, а некоторые – нет?

«Этому есть эволюционное объяснение», - утверждает Эндрюс. «Люди преимущественно тропический вид. Мы эволюционировали в тропиках, где пища в основном доступна. У нас очень тонкая кожа, поскольку нам не особо много нужно защищаться от холода. Если бы мы эволюционировали в Сибири или в Северной Канаде, то, возможно, могли бы выработать способность впадать в спячку, поскольку были бы связаны с ограниченным временем произрастания растительности».

С начала XIX века учёные безуспешно пытаются раскрыть внутренние механизмы спячки. И всё-таки молекулярная биология медленно, но приоткрывает тайну этого феномена. При этом достигается более глубокое понимание противоречивых медицинских технологий, которые позволяют замедлить дыхание пациентов почти до нуля и вернуть их из состояния, близкого к смерти.

Каждое животное на Земле сжигает энергию, чтобы передвигаться, дышать, спать и поддерживать оптимальную температуру тела. Когда животное впадает в спячку, почти всё в работе его организма меняется, однако, и приготовления к спячке начинаются за месяцы до этого. Когда на деревьях нет фруктов и нет добычи для еды, «впадающие в спячку животные используют свои собственные жировые накопления и расщепляют их с образованием кетоновых телец, молекул с четырьмя атомами углерода, которые пересекают границу между кровью и мозгом и питают мозг и остальные органы», - говорит Эндрюс. «Переключение метаболизма на использование в качестве основного питания для организма жира вместо углеводов - главная задача животных, впадающих в спячку».

Как и в случае с большинством биологических процессов, анабиозом управляют продукты генов, а именно, энзимы. Два энзима, PDK4 и PTL, частично отвечают за переключение на другой источник питания, что можно видеть у животных, впадающих в спячку, и что впервые было описано Эндрюсом и его коллегами в статье о результатах исследований, опубликованной 1998 году в издании «Proceedings of the National Academy of Sciences».

PDK4 прекращает углеводный метаболизм, для того чтобы сохранить глюкозу, которая остаётся у животного после последнего приёма пищи. PTL же запускает механизм по превращению жира в энергию, употребляемую при низких температурах тела.

Расходуя в день по 0,2-0,3 массы своего тела, такие животные могут выживать до весны. И чем больше они сохраняют жира, тем больше у них шансов выстоять зиму; например, медведь может удваивать вес своего тела за счёт пополнения запаса жира в течение лета и осени.

«Уровень холестерина в их крови в два раза выше, чем у людей, и сердце у них бьётся очень-очень медленно, что является фактором риска в плане образования кровяных тромбов. Такие условия поставили бы человека на грань сердечного приступа или удара», - объясняет Оле Фрёберт, кардиолог больницы при университете Ёребро в Швеции. «Однако бурые медведи не страдают ничем подобным».

Как медведи в эти условиях сохраняют в целости свои артерии, и исследуют Фрёберт и его коллеги.

Поиск ответа – рискованное предприятие. Медведи – животные опасные. Даже во время спячки они могут внезапно проснуться и атаковать нежеланных посетителей. Поэтому учёные используют радиопередатчики или устройства GPS для обнаружения ранее помеченных медведей в лесах Швеции и, прежде чем к ним приблизиться, с помощью дротиков впрыскивают животным транквилизаторы. Затем они берут образцы крови и биопсию животной ткани. Образцы артерий получают от медведей, убитых во время легального сезона охоты.

«Мы обнаружили, что уровни и «хорошего», и «плохого» холестерина в крови медведей повышены. Это может иметь некий защитный эффект», - говорит Фрёберт. В опыте его группы, опубликованном в январе 2012 года в интернет-версии издания «Clinical and Translational Science» непонятно, как животные поддерживают гибкость артерий. Исследователи надеются найти молекулу, которая могла бы так же воздействовать на человеческие кровеносные сосуды.

Возможно, секрет заключается в питании животных. «Жир, который используют впадающие в спячку животные, очень отличается от жира, который потребляют люди, – мы часто едим насыщенные жиры», - говорит Эндрюс. «Эти животные едят семена, «хорошие» жиры, ненасыщенные овощные жиры, и они также производят полезные жирные кислоты омега-3 и омега-6, которые оказывают благотворное воздействие на сердечно-сосудистую систему».

Не только пища животных, входящих в состояние анабиоза, содержит ненасыщененные жиры. Они также довольно хорошо превращают жиры в ненасыщенные в своём организме.

«Если жиры насыщенны, они отвердевают, превращаются в масло при низких температурах тела, так что животные не могли бы их использовать», - говорит Эндрюс. «Но, будучи ненасыщенными, они остаются в жидком состоянии даже при очень низких температурах окружающей среды». Как именно они это делают, и хотят понять Эндрюс и его группа. «Животные в состоянии спячки выборочно используют жир в течение всей зимы и, несмотря на дополнительный вес, остаются здоровыми. Это могло бы помочь людям в борьбе с ожирением и диабетом». Артерии, не страдающие от холестерола, - не единственный эволюционный механизм, который пытаются разгадать учёные. Инженер-биомедик Сет Донахью из государственного университета Колорадо изучает, как такие животные сохраняют мышечный тонус и сильную костную ткань, невзирая на то, что ежегодно проводят несколько месяцев без движения.

Обычно люди с возрастом утрачивают прочность костной ткани. Исследования показали, что после менопаузы женщины теряют от 1 до 2% минералов в составе костей. Пациенты, прикованные к постели, могут терять от 3 до 4% скелетной массы ежемесячно. Животные, впадающие в спячку, с другой стороны, пробуждаются от своего продолжительного сна без повреждений в костной и мышечной тканях. В случае с белками, у тех нет иного выбора, если они не хотят быть съеденными лисами и пантерами – они вынуждены быть сильными и подвижными, и у них выработалась генетическая способность это делать.

Отслеживая маркеры костного метаболизма в крови пяти медведей, Донахью обнаружил, что «во время спячки костные потери и переломы действительно случаются, но медведи выработали биологический механизм для поддержания производства костной ткани на постоянном уровне». В обзоре 2008 года, опубликованном в «American Journal of Physiology», он и его коллеги обнаружили, что это происходит за счёт высокого уровня двух химических соединений: остеокальцина и паратиреоидного гормона, или PTH.

«Как и у людей, в костях медведей в неактивные периоды образуются минералы. Но вместо выделения кальция, PTH стимулирует повторное его поглощение почками и его отложение в скелете медведей», - рассказывает Донахью. «Остеокальцин – это белок, обычно выделяемый в урине. Поскольку медведи в период спячки не выделяют урину, уровень остеокальцина увеличивается и способствует минерализации костной ткани и её формированию».

Человеческий паратиреоидный гормон, возможно, не столь эффективен, как медвежий гормон по переработке минералов обратно в костную ткань. Донахью и его группа в настоящее время заняты изучением способности гормона по восстановлению костной ткани. «Мы выделили ген медвежьего PTH и использовали его для производства синтетической формы медвежьего PTH и восстановления костей в моделях остеопороза у грызунов», - говорит Донахью.

Группа Донахью использовала крыс с удалёнными хирургическим путём яичниками, что стимулирует менопаузу, и это вызвало развитие у них остеопороза и размягчение костей. Затем делали инъекции человеческого или медвежьего РТН, измеряли и сравнивали плотность костей в течение нескольких недель. Кости оказались сильнее у крыс, которым был введён медвежий РТН. Эти результаты могут привести к созданию более эффективных методов лечения остеопороза у женщин после менопаузы, у которых повышается хрупкость костной ткани. 

Другое животное, впадающее в анабиоз, привлекшее внимание учёных, - арктический суслик Spermophilus parryii. С начала сентября до конца апреля это маленькое оранжево-белое животное охлаждает свой организм до температуры – 2.9° С, что является самым низким известным природным показателем температуры у млекопитающих. Однако, в то же самое время суслик поддерживает температуру своего мозга и других частей тела, необходимых для регуляции и поддержания энергетического метаболизма, на уровне выше нуля.

Как объясняет Эндрюс, это физиологические факторы, которые животные, для которых не свойственен анабиоз, включая и человека, никогда бы не смогли пережить. «Человек испытывает гипотермию при температурах около 32° С. При такой температуре химические реакции просто не могут происходить в нашем теле», – утверждает он. Однако необычный арктический суслик может не только охлаждать и разогревать ежегодно свой организм: в период спячки приблизительно каждую неделю суслик двигается, вздрагивает без пробуждения и за 12-20 часов у него вновь повышается температура до 37°. Затем суслик вновь погружается в спячку без всяких повреждений в тканях.

Учёные идентифицировали некоторые соединения, которые могут объяснить, как это возможно. Эндрюс установил, что PDK4 и PTL, те же энзимы, которые переключают метаболизм, помогают кардиофизиологии функционировать при низких температурах. “PTL - это белок, который у человека производится поджелудочной железой, но мы обнаружили этот белок у сусликов в сердце. Причина в том, что он очень хорошо работает при низкой температуре. Он может сжигать жир при холоде и давать сердцу возможность продолжать биться».

В 2007 году Том Сканлан, биолог, который сейчас работает в университете здоровья и науки в Портленде, Орегон, опубликовал исследование в издании «Stroke», в котором описал, как производное тироксина, тироидный гормон, быстро понижает температуру тела и замедляет сердцебиение при инъекциях у грызунов. Через 6-8 часов после инъекции грызуны восстановили нормальную температуру тела и реакции. Группа создала несколько подобных синтетических веществ, которые демонстрируют такое же или даже более сильное введение в состояние гипотермии. Тем временем в 2006 году в журнале «Nature» Ченг Чи Ли, молекулярный биолог в техасском университете в Хьюстоне со своими коллегами продемонстрировал, что молекула 5’-AMP(пять-прайм аденозин монофосфат) также понижает внутреннюю температуру тела у мышей и вызывает спячку. 5’-AMP – часть клеточного процесса, именуемого оксидативной фосфориляцией, который представляет собой аппарат по производству энергии телом. Клеткам нужен кислород для выработки аденозин-трифосфата, или АТР, первичного жизненного горючего. По мере охлаждения тела, организму требуется меньше кислорода, оксидативная фосфориляция замедляется или останавливается, и животное просто отдыхает. Этот процесс протекает не только у мышей, но также у сусликов и других животных, впадающих в спячку. Возможно, даже у человека.

В октябре 2006 года был описан первый известный случай человека, впавшего в «спячку». Поскользнувшись и сломав тазовую кость, 35-летний турист 24 дня выживал в горном лесу без еды и воды. Митсутаку Ухикоши нашли без сознания на горе Рокко в Японии, температура его тела составляла около 22° С. У него был слабый пульс и потеря крови. Пройдя курс лечения в больнице, он полностью выздоровел. Его врачи считали, что его выздоровление было результатом состояния, вызванного холодом, подобного анабиозу, так как температуры в горах опустились до 10° С.

«Я убеждён, что есть некая связь между впадающими в спячку животными и людьми, выжившими в экстремальных условиях, людьми, которые обманули смерть после того, как утонули в ледяной воде или в течение многих часов были погребены в снегу без доступа кислорода», - говорит Эндрюс.

Недостаток кислорода часто является причиной смерти людей, у которых остановилось сердце или произошёл удар. Около 5 лет назад врачи начали экспериментировать с методами лечения, связанными с охлаждением, даже временным, с телами таких пациентов, с тем, чтобы уменьшить их потребность в кислороде. Результаты оказались необычными.

В 2005 году биохимик Марк Рот попал в первые строки мировых новостей, когда журнал «Science» опубликовал результаты экспериментов его группы, показавшие, что введение мышам крошечных доз сульфида водорода – H2S – приводило к состоянию обратимого анабиоза. H2S – газ с дурным запахом, едкий, воспламеняющийся и смертельно опасный, который образуется естественным образом в маленьких количествах в организме людей и животных. У людей он позволяет температуре внутри тела оставаться постоянной независимо от того, где человек находится – в Арктике или на Карибах.

В своей лаборатории при центре исследований рака  Фреда Хатчинсона в Сиэтле, Вашингтон, Рот помещал мышей в аквариум, из которого был выкачан почти весь кислород, что заставляло их вдыхать сульфид водород в концентрации 8 частей на миллион. Внутренняя температура их тела достигала 20° С. В считанные минуты их сердцебиение сокращалось более чем на 50 %, а уровень метаболизма резко падал. Животные оставались в подобном состоянии анимации вплоть до 6 часов, после чего вновь включали подачу кислорода. Удивительно, но они пробуждались без повреждений мозга.

H2S, кажется, замедляет или даже останавливает оксидативную фосфориляцию - процесс, при котором клетки производят энергию. Эксперименты Рота показали, что мыши могут выживать при низких концентрациях кислорода, которые в противном случае вызвали бы у них гибель. Он также один из многих исследователей, которые исследуют применение задержанной анимации в радикальной медицинской терапии.

В феврале 2008 года анастезиолог Патрик Коханек и его коллеги из центра исследований по оживлению пациентов института Сафара при университете Питтсбурга в Титусвилле, Пенсильвания, опубликовали работу в «Journal of Cerebral Blood Flowand Metabolism», в которой описывалось, как он оживил собак спустя три часа после клинической смерти – не было сердцебиения, не было дыхания и активности мозга. Пока группа Рота сосредоточилась на том, как замедлить уровень метаболизма, при котором возникает побочный эффект – падение температуры, группа Коханека охлаждала тело, для того чтобы замедлить уровень метаболизма. Они выкачали у собак кровь и заменили её на раствор низкотемпературной глюкозы, растворённого кислорода и соли. Собаки вернулись к жизни после переливания крови и электрического разряда, приложенного к сердцу, хотя у некоторых были отмечены небольшие повреждения мозга. Применив аналогичный подход, группа хирургов-травматологов Общей больницы в Бостоне, Массачусетс, сообщила о хороших результатах нескольких успешных опытов с большими белыми английскими свиньями.

Следующий шаг – проверка задержанного восстановления на людях. Когда человек получает серьёзную травму и теряет очень много крови, снабжение кислородом также падает. При отсутствии поступления кислорода у обычного человека в течение пяти минут наступает повреждение мозга, и он умирает через 15 минут. Но и восстановление кровоснабжения также представляет опасность. Приток насыщенной кислородом крови создаёт так называемые реактивные молекулы кислорода, которые могут повредить белки и ДНК и вызвать смерть клеток, в дополнение к повреждениям тканей или органов.

Позднее, в 2012 году, хирург Самюэль Тишерман и его команда также в институте Сафара в Питтсбурге приступят к клиническим испытаниям с целью установить, смогут ли они спасти пациентов, у которых вследствие сильной кровопотери произошла остановка сердца, заморозив их почти до 10° С.

«В большинстве случаев люди с серьёзными травмами и сильной потерей крови не выживают», - говорит Тишерман. «Быстрое охлаждение могло бы поддержать –сохранить пациента - в особенности его мозг, предоставить достаточно времени хирургам, чтобы обнаружить источник кровопотери, обработать рану и восстановить сердцебиение».

В клинических испытаниях температура тела понижается за счёт пропускания 20 литров холодной жидкости через большую трубку, помещённую в аорте - самой большой артерии в теле. «В доклинических исследованиях, которые мы проводили на животных, мы таким способом охлаждали тело всего лишь за 1 минуту», - добавляет Тишерман. Для восстановления кровоснабжения и оксигенации как части процесса оживления используется аппарат искусственного кровообращения.

Терапия сильного охлаждения, распространяющаяся по больницам даже ещё до того, как учёные и врачи полностью поняли, как она работает, могла бы также применяться при лечении некоторых видов отравлений, при которых необходимо прекращать кровообращение. Способность H2S вызывать гипотермию также тестируется на пациентах с острыми лёгочными нарушениями, отказом в работе многих органов и некоторыми воспалительными болезнями. Тем не менее, неудачи при попытках воспроизвести результаты, наблюдаемые у мышей, у более крупных животных (вроде овец), а также соображения безопасности означают, что необходимы дальнейшие исследования.

Эндрюс остаётся оптимистичным. «Возможно, что в будущем у нас появится возможность создать трансгенные организмы с состоянием анабиоза, как мы сейчас создаём трансгенных мышей, для того чтобы лучше понять, как происходит анабиоз».

Перевод Елены Василевской

Источник