Cum poate veverița arctică de pământ să inspire noi tratamente pentru situațiile medicale de urgență

Adaugă-ne ca sursă preferată în Google

Urmărește-ne in Discover

Niciun alt mamifer nu poate supraviețui la temperaturi corporale mai scăzute decât veverița arctică de pământ. Hibernarea ei la temperaturi foarte joase inspiră noi tratamente pentru infarct, accident vascular cerebral și leziuni cerebrale, potrivit BBC.

În august, pe măsură ce vara se apropie de final și zilele devin mai scurte, o femelă de veveriță arctică de pământ știe că este timpul să acumuleze grăsime. Micul rozător de culoarea cuprului cercetează tundra în căutarea oricărei hrane pe care o poate găsi, ierburi, rogozuri și frunze, până când se retrage în vizuină pentru a intra într-un somn adânc de iarnă. La aproximativ un metru sub pământ, corpul ei încetinește ca într-o filmare cu încetinitorul. Cu doar câteva respirații și bătăi ale inimii pe minut, ar fi ușor să o confunzi cu un animal mort.

În timp ce pământul de deasupra ei îngheață complet, ajungând la temperaturi de -20°C, temperatura corpului ei se prăbușește. În mod uimitor, creierul i se răcește până la 0°C, abdomenul până la -2°C, iar membrele posterioare chiar până la -2,9°C, mai rece decât orice alt mamifer înregistrat în viață. Timp de opt luni, ea zace acolo fără hrană sau apă, trezindu-se doar ocazional, până când pământul se încălzește și revine la viața de la suprafață.

Inspirație pentru medicină

La fel ca multe mamifere din climatele nordice, veverițele arctice de pământ supraviețuiesc iernilor aspre din Canada, Alaska și Siberia prin hibernare, dar sunt oarecum neobișnuite prin perioada foarte lungă pe care o petrec în această stare și unice prin faptul că supraviețuiesc la temperaturi corporale atât de scăzute.

Aceste trăsături extreme au făcut ca veverițele arctice de pământ, alături de unele rude apropiate, să devină un subiect popular de studiu pentru oamenii de știință care încearcă să înțeleagă mai bine ce face hibernarea posibilă din punct de vedere biologic, nu doar din curiozitate științifică, ci și în speranța că, într-o zi, acest lucru va putea fi aplicat oamenilor.

Capacitatea de a încetini metabolismul uman i-ar putea ajuta pe medici să câștige mai mult timp în tratarea unor afecțiuni grave precum infarctul, accidentele vasculare cerebrale și traumatismele cranio-cerebrale și să inducă o răcire benefică pentru a proteja organele vitale. Iar, într-un viitor îndepărtat, această cercetare ar putea chiar deschide drumul către introducerea astronauților în stări de animație suspendată, pentru a-i ajuta să reziste zborurilor spațiale pe distanțe lungi.

Dacă ai putea cu adevărat, în mod sigur, să încetinești metabolismul pentru o perioadă lungă, ai putea câștiga timp în cazul bolilor critice, spune Sarah Rice.

Această cercetare este încă la început, dar arată deja cum studierea supraviețuitorilor extremi din regnul animal ar putea ajuta la descoperirea unor noi strategii pentru îmbunătățirea sănătății umane. „Fiziologia lor este pur și simplu atât de diferită”, spune ecologul fiziolog Cory Williams, de la Colorado State University. „În același timp, poți vedea că, dacă ai putea valorifica această trăsătură și să o aplici oamenilor, ar putea avea o funcție practică reală.”

Oamenii de știință de la University of Alaska Fairbanks studiază veverițele arctice de pământ de peste 50 de ani. Rozătoarele par să aibă un ceas intern care, alături de schimbarea duratei luminii de zi, le spune când este timpul să hiberneze. În cazul femelelor, acest lucru se întâmplă în jurul lunii august, în timp ce masculii încep câteva luni mai târziu.

Personalul transferă apoi veverițele din țarcurile lor într-o cameră întunecată și refrigerată, care imită condițiile din vizuinile naturale de hibernare ale rozătoarelor. Animalele stau ghemuite în vată sau așchii de lemn, în cuști de plastic. Pentru anumite studii, personalul ține animalele în brațe la început pentru a le obișnui să fie manipulate, astfel încât să nu se trezească atunci când oamenii de știință le iau sânge și fac alte măsurători, spune cercetătoarea Sarah Rice, specialistă în hibernare la University of Alaska Fairbanks. Corpurile lor sunt atât de reci, iar respirația și bătăile inimii atât de lente, spune ea, încât „uneori este greu să-ți dai seama dacă sunt vii sau nu”.

Colegii lui Rice, inclusiv cercetătoarea Kelly Drew, specialistă în hibernare, au investigat ce anume declanșează încetinirea metabolismului acestor animale, care permite temperaturii corpului lor să scadă atât de mult.

Încetinirea metabolismului, o armă în lupta împotriva bolilor, și nu numai

Medicii au folosit adesea gheață sau medicamente specifice pentru a răci anumiți pacienți care au suferit un infarct sau un accident vascular cerebral, pentru a ajuta la protejarea organelor vitale, precum creierul, de lipsa de oxigen care apare în aceste situații. Această strategie nu funcționează întotdeauna și poate fi dificilă, deoarece corpul începe, în cele din urmă, să lupte împotriva răcirii și încearcă să se încălzească prin frisoane.

Dar dacă oamenii de știință ar putea identifica o modalitate de a încetini metabolismul pacienților, ceea ce ar permite apoi corpului să se răcească în mod natural, acest lucru s-ar putea dovedi mai eficient, „pentru că organismul nu se luptă cu asta”, spune Drew.

Încetinirea metabolismului ar putea ajuta la păstrarea pentru perioade mai lungi a organelor destinate transplantului în afara corpului. Ar putea ajuta, de asemenea, la protejarea pacienților cu cancer împotriva efectelor nocive ale radiațiilor, care produc subproduși periculoși în condiții de metabolism normal, spune neurofiziologul Domenico Tupone, de la Oregon Health and Science University și University of Bologna din Italia.

Și, foarte important, încetinirea metabolismului ar putea câștiga timp pentru pacienții aflați în urgențe medicale, de la persoane care suferă accidente vasculare cerebrale și locuiesc la distanțe mari de spitale, până la soldați răniți pe câmpul de luptă, acesta fiind, parțial, motivul pentru care US Army Research Office și Departamentul Apărării au finanțat cercetări asupra veverițelor arctice de pământ.

„Dacă ai putea cu adevărat, în mod sigur, să încetinești metabolismul pentru o perioadă lungă, ai putea câștiga timp în cazul bolilor critice”, spune Rice.

Declanșator pentru hibernare

În urmă cu mai bine de un deceniu, Drew și colegii săi au descoperit un declanșator important al hibernării la veverițele arctice de pământ: adenozina, o moleculă naturală care se acumulează în creierul uman pe parcursul zilei și despre care se crede că ne face somnoroși seara. De fapt, cafeina acționează blocând receptorii organismului pentru adenozină.

Într-un studiu din 2011, Drew și colegii săi au injectat în creierele veverițelor arctice de pământ un medicament cu structură similară adenozinei, numit 6N-ciclohexiladenozină sau CHA. Așa cum se așteptau, animalele intrau într-o stare asemănătoare hibernării, cel puțin atunci când oamenii de știință făceau acest lucru aproape de perioada naturală de hibernare a animalelor. Metabolismul lor încetinea, corpurile lor încetau să mai producă căldură, „iar apoi se răceau într-un mod foarte asemănător hibernării”, spune Drew.

În mod remarcabil, molecula are un efect similar la șobolanii obișnuiți, chiar dacă specia nu hibernează în mod natural. Într-un studiu din 2013, Tupone și colegii săi au injectat CHA în creierele șobolanilor și au observat că temperatura corporală centrală a animalelor a scăzut de la 38°C la aproximativ 28°C. Corpurile lor nu s-au răcit mai mult deoarece temperatura din jur a fost menținută intenționat într-un interval moderat și sigur, spune Tupone.

Iar, comparativ cu veverițele arctice de pământ aflate în hibernare, șobolanii au prezentat modele similare de activitate electrică în creier și bătăi ale inimii la fel de lente și neregulate.

Este un mister de ce șobolanii ar avea capacitatea de a intra într-o stare asemănătoare hibernării. Poate că mamiferele ancestrale hibernau, iar multe specii au păstrat mecanismele moleculare care permit acest lucru, speculează Tupone. Pentru el, experimentul dovedește că este posibilă inducerea hibernării la animale care nu fac acest lucru în mod natural, spune el.

Răcirea temperaturii corpului rămâne, deocamdată, la stadiul de idee

Acestea fiind spuse, transpunerea acestui lucru la oameni este mai ușor de spus decât de făcut. Injectarea în creier a unor medicamente asemănătoare adenozinei ar fi prea invazivă pentru a fi fezabilă în situații medicale de urgență, spune Drew. Iar administrarea adenozinei prin perfuzii ar putea avea efecte secundare, inclusiv fluctuații periculoase ale glicemiei sau chiar insuficiență cardiacă, adaugă ea. În orice caz, spune Rice, este, cel puțin în prezent, imposibil să răcești temperatura corpului uman la fel de mult ca pe cea a veverițelor arctice de pământ, care au metode speciale de suprarăcire a țesuturilor.

În timp ce Drew explorează modalități de a face adenozina mai sigură pentru utilizarea la oameni, Tupone investighează o altă strategie pentru inducerea hibernării. Chiar anul trecut, el a publicat un studiu care arată efectele blocării chimice a unui grup specific de celule nervoase din creierele șobolanilor, numit zona periventriculară ventromedială, aflată în hipotalamus, o regiune care controlează temperatura corpului.

Când aceste celule nervoase sunt active, sistemul de reglare a temperaturii corpului acționează pentru a menține o temperatură internă caldă, de exemplu, prevenind răcirea excesivă prin frisoane sau evitând supraîncălzirea prin lărgirea vaselor de sânge din piele pentru a elimina căldura. Dar blocarea acestor celule nervoase întoarce sistemul pe dos, într-un proces pe care Tupone și colegii săi îl numesc „inversare termoreglatorie”: organismul urmărește o temperatură corporală mai scăzută, metabolismul, ritmul cardiac și respirația animalelor încetinesc, iar corpul se răcește. Adenozina, speculează Tupone, ar putea acționa ca un semnal care determină trecerea de la circuitul normal de reglare a temperaturii la cel alternativ.

Tupone colaborează acum cu Drew pentru a vedea dacă acest circuit alternativ de control al temperaturii este și cel care induce hibernarea la veverițele arctice de pământ. Cercetarea ar putea deschide drumul către dezvoltarea unor medicamente care blochează celulele nervoase responsabile. „Dacă putem face asta, putem crea o stare foarte frumoasă, reglată, asemănătoare hibernării, la oameni, în scopuri terapeutice”, spune Tupone.

Deocamdată nu există dovezi că acest circuit alternativ de control al temperaturii există la oameni. Dar, deși cazurile de hipotermie la oameni sunt adesea fatale, există ocazional cazuri în care oamenii au supraviețuit la temperaturi extrem de scăzute pentru o anumită perioadă. În urmă cu peste 10 ani, în Tresckow, Pennsylvania, un bărbat a supraviețuit unei hipotermii intense după ce a leșinat într-un strat de zăpadă de 2ft, adică 0,6 m, în drum spre casă, după o ieșire de seară. Când a fost găsit, temperatura corpului său era de doar 18°C, dar, când a fost încălzit medical, s-a constatat că era în viață.

„Poate că hibernatorii și non-hibernatorii nu sunt atât de diferiți atunci când sunt puși în fața unor circumstanțe extreme”, spune biochimistul și biologul celular Mark Roth, de la Fred Hutchinson Cancer Center din SUA. „Poate că abilitatea rozătoarelor sau a veverițelor de pământ de a face asta este mai evidentă și mai puțin evidentă la oameni, dar poate că ea încă există.”

El și alți oameni de știință au fost interesați de capacitatea veverițelor arctice de pământ de a rezista anumitor tipuri de leziuni. Un exemplu este leziunea de ischemie-reperfuzie, adică deteriorarea care apare atunci când sângele revine, în sfârșit, la un organ care a fost privat de oxigen, de exemplu în urma unui accident vascular cerebral sau a unui infarct. Valul brusc de oxigen și celule imune poate provoca inflamație și moarte celulară. Veverițele arctice de pământ par să fie rezistente la acest lucru, poate pentru că sunt adaptate la fluxul sanguin redus și la puținul oxigen caracteristice hibernării, spune Rice.

Într-un studiu din 2020, Drew, Roth, Rice și colegii lor au descoperit un posibil motiv: au constatat că nivelurile de iodură din sângele veverițelor arctice de pământ, o substanță obținută din alimentația animalelor și care joacă roluri importante în organism, cresc de până la trei ori față de nivelurile normale în timpul hibernării. Substanța pare să protejeze împotriva leziunii de ischemie-reperfuzie. Când oamenii de știință au aplicat un garou pe membrele șoarecilor pentru a întrerupe fluxul sanguin și apoi au injectat iodură, animalele au suferit mai puține leziuni tisulare comparativ cu animalele care au primit o injecție cu soluție salină.

Aceste descoperiri și altele l-au motivat pe Roth și compania pe care a fondat-o, Faraday Pharmaceuticals, să exploreze beneficiile administrării de iodură la pacienții umani. Într-un studiu clinic de fază 2 din 2022, medicii au administrat un medicament care conținea iodură câtorva zeci de pacienți care urmau să fie supuși unei angioplastii, o procedură folosită pentru lărgirea vaselor de sânge îngustate sau blocate, după ce suferiseră un infarct sever. Comparativ cu pacienții care au primit placebo, cei tratați cu iodură au arătat mai puține semne de deteriorare și stres cardiac, deși autorii au remarcat că este necesar un studiu mai amplu pentru a testa eficacitatea medicamentului.

Rice, între timp, încearcă să înțeleagă cum reușesc veverițele arctice de pământ să își păstreze atât de mult din musculatură în timp ce hibernează, cunoștințe care ar putea fi folosite pentru dezvoltarea unor tratamente ce previn pierderea masei musculare la pacienții aflați pe termen lung la pat, de exemplu. Williams, la rândul său, studiază cum veverițele de pământ trec de la un apetit vorace în săptămânile dinaintea hibernării la suprimarea completă a apetitului în timpul hibernării, ceea ce ar putea ajuta la identificarea proceselor neurologice care suprimă apetitul la oameni. „Dacă ne gândim la medicamente care pot fi folosite pentru combaterea obezității, am putea viza aceleași căi neuronale”, spune Williams.

În cele din urmă, oamenii de știință speculează că cercetările asupra veveriței arctice de pământ ar putea fi utile chiar și pentru astronauții care trebuie să reziste zborurilor spațiale de lungă durată, acesta fiind, parțial, motivul pentru care NASA a finanțat unele dintre cercetările lui Drew.

În teorie, introducerea astronauților într-o stare de animație suspendată ar putea reduce cantitatea de hrană necesară și deșeurile produse, ajutând totodată la combaterea pierderii musculare care apare în condiții de antigravitație și protejând astronauții de radiațiile periculoase din spațiu, spune Drew. „De asemenea, starea aceasta ar atenua unele dintre provocările psihologice ale faptului de a te afla într-o navă spațială mică, alături de mulți oameni”, spune Drew.

Adânc sub pământ, în tundra arctică, femela de veveriță arctică de pământ mai are luni de așteptat până la primăvară. În timp ce zace nemișcată în somnul ei înghețat, oamenii de știință vor continua să exploreze cum biologia ei unică ar putea ajuta oamenii de la suprafață să supraviețuiască și să prospere și poate, într-o zi, chiar să zboare spre stele.