Coraz bliżej do hibernacji człowieka

Dr hab. Wojciech Pokrzywa

Hibernacja to skomplikowany proces biologiczny, który wymaga precyzyjnej koordynacji na poziomie komórkowym i molekularnym. W jego sercu leży aktywacja specyficznych szlaków reagujących na stres, które przygotowują organizm do przetrwania w niskich temperaturach.

Kiedy 14 maja 1984 r. odbyła się światowa i polska premiera kinowa Seksmisji Juliusza Machulskiego, widzowie odebrali fabułę filmu jako komedię science fiction. Eksperyment dwóch śmiałków, Maksa (Jerzy Stuhr) i Alberta (Olgierd Łukaszewicz), poddanych hibernacji wydawał się tylko scenariuszem kina fantastycznonaukowego. Dziś, pomimo braku naturalnej zdolności do hibernacji u ludzi, nauka poszukuje sposobów na naśladowanie tego stanu. Pomaga w tym wiedza z kriobiologii, zajmującej się badaniem wpływu niskich temperatur na organizmy oraz poznanie zjawisk anabiozy, czyli życia utajonego, przejściowego i odwracalnego stanu skrajnego obniżenia aktywności życiowej organizmu, będącego odpowiedzią na niekorzystne warunki środowiska naturalnego. Dowiadujemy się coraz więcej o tym, jak manipulowanie metabolizmem oraz minimalizacja uszkodzeń spowodowanych przez chłód mogą chronić tkanki przed urazami i wydłużać czas interwencji chirurgicznych.

W świecie zwierząt strategią na przetrwanie trudnych zimowych warunków, poza migracją, którą stosują niektóre zwierzęta, jest zapadanie w sen zimowy. Wariant ten wybiera część ssaków oraz gady i płazy, jak również większość bezkręgowców naszego klimatu. Sen zimowy przybierać może różne formy: od płytkiego, kilkudniowego, po głęboki ze sporadycznymi przebudzeniami. W czasie snu następuje szereg zmian fizjologicznych, a procesy życiowe ulegają spowolnieniu. Obniża się temperatura ciała, oddech jest płytszy i rzadszy, spada liczba uderzeń serca. W sen zimowy zapadają np. borsuki czy niedźwiedzie. Dzięki obniżeniu temperatury znacząco zwalnia metabolizm i w znacznie wolniejszym tempie zużywane są rezerwy energetyczne. Dzięki temu zwierzęta, nawet mając mało pokarmu, są w stanie przetrwać niekorzystne warunki – wyjaśnia dr Robert Meronka z Zakładu Ekologii Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego.

W przypadku takich zwierząt jak jeż, świstak, popielica, chomik europejski, nietoperze oraz gady i płazy możemy już mówić o hibernacji. U zwierząt tych w okresie zimy następuje o wiele większe spowolnienie metabolizmu, obniżenie temperatury ciała (w przypadku jeży i nietoperzy nawet do 1-2oC!), zmniejszenie liczby oddechów i uderzeń serca (w przypadku jeży ze 181 do około 20 na minutę!). Zwierzęta hibernujące sporadycznie przebudzają się w czasie takiego letargu w celu uzupełnienia wody lub przemieszczeniu się w obrębie kryjówki. Jest to dla nich ogromny wysiłek energetyczny. Wymuszone wybudzenie może okazać się dla nich tragiczne w skutkach. Mówiąc o diapauzie, mamy z kolei na myśli rodzaj letargu, podczas którego następuje zahamowanie rozwoju i wzrostu. Najczęściej dotyczy ona bezkręgowców a w szczególności owadów. I w taki sposób najczęściej zimują jaja, larwy czy poczwarki.

Naukowcom kierowanym przez Honga Chena z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w Saint Louis udało się wprowadzić myszy i szczury w stan hibernacji za pomocą ultradźwięków. To odkrycie, potencjalnie przełomowe dla medycyny i kosmonautyki, zostało opisane w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Nature Metabolism”. Jeśli da się je powtórzyć u ludzi, możemy sobie wyobrazić, że przyszli astronauci będą nosić na głowach urządzenia przypominające hełmy – powiedział Hong Chen dla „Guardiana”. – Będą one indukować hipotermię i obniżać metabolizm – dodał naukowiec w wywiadzie opublikowanym w „National Geographic Polska”.

Podstawy naukowe hibernacji ludzi

Laboratorium i stanowisko z preparatem z hodowlą nicieni

Badania nad hibernacją i wpływem zimna nagrodzone grantem Narodowego Centrum Nauki PRELUDIUM BIS prowadzi dr hab. Wojciech Pokrzywa, kierownik Laboratorium Metabolizmu Białek z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie. I chociaż hibernacja ludzi może być kojarzona nadal głównie z literaturą fantastycznonaukową, jednak opiera się na solidnych podstawach naukowych, które wskazują na możliwość adaptacji ludzkiego organizmu do niskich temperatur.

Panie profesorze, na jakich modelach prowadzone są badania?

Na modelach zwierzęcych, w tym na nicieniach C. elegans o wielkości ok 1 mm. Dostarczają one cennych wskazówek na temat mechanizmów umożliwiających przetrwanie w bardzo niskich temperaturach. Te mechanizmy, obejmujące między innymi zmiany ekspresji genów, stabilności białek i regulacji metabolicznej, mogą znaleźć zastosowanie u ludzi, choć wymaga to jeszcze dalszych intensywnych badań. W tym kontekście NASA wywołała łagodny stan hipometaboliczny u wybranych osób, a badanie to nie wykazało żadnych szkodliwych skutków przez okres do czternastu dni. Obserwacja ta wskazuje na możliwość zastosowania hipotermii terapeutycznej u ludzi.

Zakładając, że ludzka hibernacja jest możliwa, to np. schładzanie do osiągnięcia stanu hipertermii, gdy temperatura głęboka organizmu to 28–32oC (hipotermia umiarkowana), mogłoby znacznie zmniejszyć obrażenia wywołane niedotlenieniem, takie jak uszkodzenie mózgu i uszkodzenie niedokrwienno-reperfuzyjne (powstaje po przywróceniu czasowo przerwanego krążenia krwi w tkance lub narządzie; podczas niedokrwienia może dojść do śmierci komórek i nieodwracalnego uszkodzenia tkanek, a to zależy od ciężkości i czasu trwania zaburzeń przepływu).

Czy nauka jednoznacznie zdefiniowała hibernację?

Do tej pory dokładne fizjologiczne definicje hibernacji pozostają nieznane. Hibernacja to skomplikowany proces biologiczny, który wymaga precyzyjnej koordynacji na poziomie komórkowym i molekularnym. W jego sercu leży aktywacja specyficznych szlaków reagujących na stres, które przygotowują organizm do przetrwania w niskich temperaturach. Kluczowe tkanki, takie jak brązowa tkanka tłuszczowa, wątroba i mięśnie szkieletowe, wchodzą do gry, inicjując termogenezę, czyli fizjologiczną reakcję termoregulacyjną zwierząt stałocieplnych na zimno w postaci drżenia mięśniowego lub nasilenia procesów przemiany materii w tkankach, zapobiegając w ten sposób ochłodzeniu ciała w niskiej temperaturze otoczenia. Tkanki te są również odpowiedzialne za utrzymanie optymalnej temperatury ciała w trakcie hibernacji i sprawnego jej podniesienia podczas procesu wybudzania.

Ale jak dokładnie organizmy hibernujące zarządzają tym procesem?

Kluczowym elementem jest zmiana profilu białek w różnych tkankach, co jest niezbędne dla efektywnej reakcji na stres komórkowy i adaptacji metabolizmu energetycznego do zmienionych warunków. Organizmy hibernujące mają zdolność do precyzyjnej regulacji aktywności genów, co pozwala im na „włączanie” i „wyłączanie” określonych szlaków w zależności od potrzeb. I dlatego hibernacja, co warto jeszcze raz podkreślić, nie jest pasywnym stanem spoczynku a dynamicznym procesem biologicznym.

A konkretnie, które białka powodują, że hibernacja to proces dynamiczny?

Nicień C. elegans

Tu kluczową rolę odgrywają białka wiążące RNA. Są nie tylko strażnikami stabilności mRNA, a tym samym transferu informacji genetycznej w czasie hibernacji, ale także decydują o tym, które transkrypty, molekuły RNA są przechowywane w granulkach stresowych na „lepsze czasy”, a które są degradowane. To dzięki nim, nawet w najgłębszym letargu, komórki mogą szybko reagować na zmieniające się warunki, przywracając normalną funkcję, gdy tylko organizm zaczyna się wybudzać.

Co wynika z przeprowadzonych eksperymentów?

Kiedy organizmy wpadają w zimowy sen, naturalnie ograniczają aktywność synaptyczną, by oszczędzać energię. Okazuje się, że białko wiążące RNA, RBM3, odgrywa centralną rolę w tym procesie, umożliwiając nie tylko demontaż, ale i ponowne tworzenie synaps, gdy organizm się wybudza. Eksperymenty przeprowadzone na myszach, schłodzonych do temperatur typowych dla hibernujących małych ssaków, potwierdziły, że to właśnie RBM3 jest kluczem do odbudowy połączeń nerwowych. Giovanna Mallucci i jej zespół odkryli, że RBM3 nie tylko wspiera proces hibernacji, ale może również mieć zastosowanie terapeutyczne, oferując nowe sposoby leczenia chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera. Przywracając plastyczność synaptyczną, RBM3 otwiera drzwi do regeneracji układu nerwowego bez konieczności wprowadzania organizmu w stan hipotermii.

Czy mechanizm hibernacji przebiega podobnie u mniejszych organizmów?

Hibernacja, znana u ssaków, występuje również u mniejszych organizmów, takich jak nicienie C. elegans, które są w stanie przetrwać temperatury bliskie zeru. W naszym laboratorium skupiamy się na badaniu tych właśnie mechanizmów, z nicieniem jako głównym modelem zwierzęcym, by zrozumieć, jak organizmy na różnych poziomach ewolucyjnych adaptują się do życia w warunkach, które dla wielu innych byłyby śmiertelne. Poprzez głębsze zrozumienie procesów zachodzących w nicieniach C. elegans dążymy do odkrycia uniwersalnych strategii adaptacyjnych, które mogą również istnieć u ssaków.

Jaką rolę w przetrwaniu organizmów, gdy znajdą się w niekorzystnych dla nich warunkach, odgrywają żelazo i reaktywne formy tlenu?

Aby przetrwać ekstremalnie niskie temperatury bez uszkodzeń, organizmy wykorzystują pewien wyjątkowy mechanizm obronny, który ma dużo wspólnego z żelazem i pewnymi cząsteczkami, zwanymi ROS (reaktywne formy tlenu). Nasze badania, prowadzone we współpracy z prof. Rafałem Cioskiem z Uniwersytetu w Oslo, rzucają nowe światło na te zjawiska. Żelazo – ten powszechny metal – w nadmiarze może być szkodliwe dla komórek, zwłaszcza w chłodzie. Zimno, jak się okazuje, może prowadzić do gromadzenia się toksycznych form żelaza w komórkach. Tutaj z pomocą przychodzi ferrytyna, specjalne białko magazynujące nadmiar żelaza i uwalniające je tylko wtedy, gdy jest potrzebne. Dzięki temu komórki są chronione przed szkodliwym działaniem nadmiaru żelaza w trudnych warunkach hibernacji.

Ale dlaczego zimno zwiększa poziom żelaza w komórkach?

Ma to związek z pewnymi enzymami potrzebującymi żelaza do działania. Gdy temperatura spada, te enzymy mogą uwalniać żelazo, co prowadzi do jego nagromadzenia. Co więcej, to żelazo może przyczyniać się do powstawania wspomnianych ROS, które w nadmiarze są szkodliwe, atakując białka, kwasy nukleinowe i lipidy.

Jakie jest praktyczne wykorzystanie tej wiedzy?

Okazuje się, że specyficzne użycie przeciwutleniaczy do leczenia ostrego udaru niedokrwiennego (Edaravone), encefalopatii niedotlenieniowo-niedokrwiennej (NAC) i uszkodzenia niedokrwiennego mózgu wywołanego żelazem (TEMPOL) może nie tylko zmniejszyć poziom szkodliwych ROS w tych schorzeniach, ale także ograniczyć ilość wolnego żelaza, chroniąc komórki przed zimnem. To odkrycie może mieć znaczące konsekwencje nie tylko dla zrozumienia hibernacji, ale także dla leczenia różnych stanów związanych z uszkodzeniami komórek.

W innych badaniach skoncentrowaliśmy się na systemie ubikwityna – proteasom, który jest niezbędny do zachowania równowagi białkowej w komórce, znanej jako proteostaza. System ten odgrywa kluczową rolę w usuwaniu uszkodzonych lub zbędnych białek, co jest fundamentem dla zdrowia komórkowego i odporności na różnorodne formy stresu, w tym niskie temperatury.

W naszym modelu, nicieniu C. elegans, zaobserwowaliśmy, że specyficzne składniki systemu ubikwityna – proteasom są związane z przetrwaniem w niskich temperaturach. Prowadzone eksperymenty w ramach finalizowanego polsko-norweskiego grantu badawczego Grieg (Narodowego Centrum Nauki) ujawniły również, że floksurydyna (FUdR), lek zazwyczaj stosowany w terapii antynowotworowej, może wzmacniać system ubikwityna – proteasom, wspierając adaptację do zimna. Odkryliśmy również, że FUdR aktywuje specyficzny szlak detoksykacji, szczególnie w neuronach, z białkiem GST-24 jako kluczowym mediatorem tego procesu. Te odkrycia otwierają nowe perspektywy dla zrozumienia, jak interwencje farmakologiczne mogą modulować mechanizmy odporności na stres i przetrwania, nawet w ekstremalnych warunkach, takich jak niskie temperatury.

Jakie są plany przyszłych badań finansowanych w ramach grantu PRELUDIUM BIS?

Białka zwane fosfatazami odgrywają istotną rolę w kontrolowaniu sygnalizacji komórkowej. Utrzymują one równowagę poprzez usuwanie grup fosforanowych z innych białek. Dwie fosfatazy, PAA-1 i VHP-1, są główną osią naszych badań, ponieważ wydają się kluczowe dla regeneracji nicieni po hibernacji wywołanej zimnem. Nasze wstępne dane pokazują, że PAA-1 odgrywa znaczącą rolę w regulacji określonych białek podczas wczesnych etapów adaptacji do zimna. Z kolei VHP-1 zaczyna działać dopiero podczas fazy regeneracji. Razem fosfatazy te pomagają nicieniom przystosować się do zimna i zregenerować w wyniku działania złożonej sieci regulacji komórkowej.

Dlaczego ma to znaczenie?

Zarówno PAA-1, jak i VHP-1 są ewolucyjnie zachowane, co oznacza, że mają swoje odpowiedniki u ludzi. Odkrycie ich molekularnych mechanizmów działania może utorować drogę do zrozumienia ludzkich odpowiedzi komórkowych na stres i potencjalnie pomóc zidentyfikować nowe cele terapeutyczne.

Jakie zyski widzi pan z prowadzonych badań w zakresie nauk podstawowych, ale i nauki innowacyjnej?

Dzięki głębokiemu zrozumieniu mechanizmów adaptacji do zimna możliwe staje się odkrywanie nowych ścieżek w leczeniu chorób, ochronie przed stresem oksydacyjnym i nawet w tworzeniu nowych metod terapii regeneracyjnej. Nasze badania na C. elegans to dopiero początek podróży do odkrywania tajemnic życia na poziomie molekularnym. Jednak przeniesienie tych odkryć na potencjalne zastosowania kliniczne, w tym hibernację ludzi, wymaga dalszych interdyscyplinarnych badań i współpracy w dziedzinie biologii, medycyny i bioinżynierii.