Ultradźwięki zamiast hibernacji. Oto nowy sposób na podróże do odległych planet
Naukowcy potraktowali mózgi myszy i szczurów ultradźwiękami, aby sprowadzić je do stanu podobnego do hibernacji. Badacze twierdzą, że metoda ta mogłaby być stosowana na astronautach odbywających długie loty kosmiczne.
Zapomnijcie o mrożeniu czy chłodzeniu. Naukowcy mają coś zupełnie nowego. Metoda, pierwsza w swoim rodzaju, polega na wysyłaniu ultradźwięków do obszaru mózgu odpowiedzialnego za kontrolę metabolizmu i temperaturę ciała. W ten sposób udało się obniżyć średnią temperaturę ciała gryzoni o około 3,5 stopnia Celsjusza, a także spowolnić ich tętno i zmniejszyć zużycie tlenu.
Wyniki badania na zwierzętach mogą dostarczyć naukowcom pewnych wskazówek, jak stan podobny do hibernacji, czyli torpor, mógłby być bezpiecznie wywoływany u ludzi. Badacze opublikowali swoje odkrycia w czwartek (25 maja) w czasopiśmie Nature Metabolism.
Ta technologia ma znaczący potencjał dla zastosowań medycznych, szczególnie w stanach zagrażających życiu, takich jak udar mózgu i zawał serca. Wprowadzenie stanu podobnego do torporu u tych pacjentów mogłoby przedłużyć okno leczenia i zwiększyć ich szanse na przeżycie
- powiedziała Live Science główna autorka badania Hong Chen, profesor nadzwyczajny inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Waszyngtońskim w St. Louis.
Co to jest torpor?
Torpor to stan zmniejszonej aktywności fizjologicznej u zwierząt, zwykle charakteryzujący się obniżeniem temperatury ciała i szybkości metabolizmu. Torpor umożliwia zwierzętom przetrwanie okresów ograniczonej dostępności pokarmu, albo gdy pogoda jest dla nich wyjątkowo niesprzyjająca.
W stan torporu zapadają niektóre ptaki (nawet małe kolibry) i niektóre ssaki, w tym wiele gatunków torbaczy, gryzoni (np. myszy) i nietoperzy. Podczas aktywnej części dnia takie zwierzęta utrzymują normalną temperaturę ciała i poziom aktywności, ale ich szybkość metabolizmu i temperatura ciała spadają w części dnia (zwykle nocy), aby oszczędzać energię. Taki stan odrętwienia może przedłużyć się do kilku dni, jeśli w tym czasie nie ma sprzyjających warunków do normalnej aktywności, np. silne opady deszczu uniemożliwiające żerowanie.
Niektóre zwierzęta sezonowo zapadają w długie okresy nieaktywności, z obniżoną temperaturą ciała i metabolizmem, składające się z wielu epizodów torporu. Nazywa się to hibernacją, jeśli występuje zimą lub estywacją, jeśli występuje latem. Torpor dzienny natomiast nie jest zależny od pory roku i może być ważną częścią oszczędzania energii o każdej porze roku. Torpor jest dobrze kontrolowanym procesem termoregulacyjnym, a nie, jak wcześniej sądzono, wynikiem wyłączenia termoregulacji.
Głębokie zmiany fizjologiczne towarzyszące torporowi drastycznie zmniejszają zapotrzebowanie zwierząt na energię. Nie dziwi więc fakt, że naukowcy od dawna chcą dowiedzieć się, czy te korzyści mogłyby być przeniesione na ludzi zmierzających do odległych planet.
Jak działa metoda?
Metoda opracowana przez Chen i jej współpracowników polega na wykorzystaniu ultradźwięków - fal dźwiękowych o częstotliwości wyższej niż zakres słyszalny dla ludzi - do stymulowania określonego obszaru mózgu zwierzęcia, które nazywa się jądrem przykomorowym podwzgórza.
Jest on częścią układu limbicznego - obszaru mózgu odpowiedzialnego za regulację emocji i zachowań, który kontroluje również temperaturę ciała i metabolizm. Naukowcy podejrzewają, że PVA odgrywa kluczową rolę w inicjowaniu torporu u zwierząt.
W badaniu naukowcy umieścili gryzonie w specjalnej komorze wyposażonej w urządzenie emitujące ultradźwięki skierowane do PVA. Po 30 minutach ekspozycji na ultradźwięki temperatura ciała myszy spadła o średnio 2,8 stopnia Celsjusza, a szczurów o średnio 3,3 stopnia Celsjusza. Tętno myszy spadło o 40 proc., a zużycie tlenu o 30 proc. U szczurów tętno spadło o 30 proc., a zużycie tlenu o 40 proc.
Stan torporu utrzymywał się przez kilka godzin po zakończeniu ekspozycji na ultradźwięki. Naukowcy nie zaobserwowali żadnych negatywnych skutków ubocznych u gryzoni po zabiegu.
Co to oznacza dla ludzi?
Chen powiedziała, że jej metoda jest pierwszą techniką zdolną do indukowania torporu u zwierząt bez użycia farmakologicznego lub genetycznego zaburzenia. Jest to ważne dla potencjalnych zastosowań u ludzi, ponieważ obecne metody farmakologicznego wprowadzania hipotermii (obniżenia temperatury ciała) są często obarczone ryzykiem powikłań takich jak infekcje krwi czy zakrzepica.
Chen powiedziała również, że jej metoda jest łatwiejsza i szybsza niż inne techniki fizyczne indukcji hipotermii u ludzi, takie jak chłodzenie ciała za pomocą płynów lub opasek chłodzących.
Ultradźwięki są nieinwazyjne i mogą być stosowane bezpośrednio przez czaszkę. Można je również precyzyjnie skupić na docelowym obszarze mózgu bez uszkodzenia otaczającej tkanki - powiedziała Chen.
Chen dodała, że jej metoda może mieć również potencjalne zastosowania dla astronautów podróżujących w przestrzeni kosmicznej. Wprowadzenie astronautów w stan torporu mogłoby zmniejszyć ich zapotrzebowanie na zapasy żywności i tlenu oraz poprawić ich zdrowie psychiczne poprzez zmniejszenie nudy i samotności.
Torpor może również chronić astronautów przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym
- stwierdziła Chen.
Droga do torporu nie jest łatwa
Chen przyznała, że jej metoda jest na razie eksperymentalna i wymaga dalszych badań, zanim będzie mogła być testowana na ludziach. Jednym z głównych wyzwań jest to, jak skalować technikę ultradźwiękową do większych zwierząt z grubszymi czaszkami i większymi mózgami.
Innym wyzwaniem jest to, jak kontrolować i monitorować stan torporu u ludzi. Chen powiedziała, że jej metoda nie pozwala, póki co na łatwe wybudzenie zwierzęcia z torporu, co może być niebezpieczne w sytuacjach awaryjnych.
Potrzebujemy opracować sposób na szybkie i bezpieczne odwrócenie torporu za pomocą ultradźwięków lub innych metod
- powiedziała Chen.
Ponadto naukowcy muszą zbadać, jak długotrwały torpor wpływa na zdrowie i funkcjonowanie ludzi. Niektóre badania sugerują, że torpor może mieć korzystne skutki dla zdrowia, takie jak zmniejszenie stresu oksydacyjnego i zapalenia. Jednak inne badania wskazują na możliwe negatywne skutki, takie jak osłabienie układu odpornościowego i zaburzenia rytmu dobowego.
Nie wiemy jeszcze, jak ludzki organizm zareaguje na torpor indukowany ultradźwiękami. Musimy zbadać wpływ torporu na różne układy fizjologiczne i psychologiczne ludzi - powiedziała Chen.
Chen powiedziała, że jej następnym krokiem jest przetestowanie metody ultradźwiękowej na większych zwierzętach, takich jak świnki morskie lub króliki. Jeśli wyniki będą obiecujące, planuje rozpocząć badania kliniczne na ludziach w ciągu pięciu lat.
Chen powiedziała również, że chce współpracować z innymi naukowcami zajmującymi się badaniami nad torporem i hibernacją, aby wymieniać się wiedzą i doświadczeniem.
Torpor jest bardzo złożonym zjawiskiem biologicznym, które wymaga interdyscyplinarnego podejścia. Mam nadzieję, że nasza praca zainspiruje innych naukowców do eksploracji potencjału torporu dla medycyny i podróży kosmicznych - powiedziała Chen.
