Технология погружения человека в состояние искусственной спячки очень пригодится для будущих межпланетных перелетов, с ее помощью можно было бы спасать заблокированных в шахтах горняков и терпящих бедствие подводников.
Разработку такой технологии поддерживает Фонд перспективных исследований (ФПИ), в рамках этого проекта ученые с помощью препарата на основе ксенона продержали крыс в искусственной гибернации в течение семи дней. Мы уже писал о планах ФПИ по поводу разработки методик жидкостного дыхания (и заодно узнавал, зачем надо было топить таксу). Теперь мы решили разобраться в том, насколько реалистичны мечты о гибернации человека и что это на самом деле такое — спячка.
Что такое спячка?
В кино и литературе анабиоз и подобные ему состояния — совершенно рутинное явление. Белоснежка впадает в спячку, съев отравленное яблоко, Фрай из Футурамы проводит в криогенной камере тысячу лет, а люди будущего совершают межзвездные перелеты, коротая время в гибернации — иногда по сотне лет, как герои «Пассажиров». В реальности, несмотря на то, что многие виды животных действительно обладают способностью к гибернации, создать такое состояние для человека искусственным путем — совсем не простая задача.
Множество терминов, относящихся к состояниям замедленного метаболизма — анабиоз, оцепенение, спячка, гибернация, торпор, диапауза, сопор — можно разделить на две большие категории: анабиоз и гипобиоз.
Слово «анабиоз» означает «возвращение к жизни», и это самое сильное замедление метаболизма, на которое способен живой организм. Лучше всего переживать неблагоприятные, смертельные для других организмов условия могут споры бактерий и цисты простейших, а также знаменитые своей поразительной живучестью тихоходки. В состоянии анабиоза эти мельчайшие организмы способны выдерживать экстремальные охлаждения до -217 градусов Цельсия, кипячение в течение нескольких часов, облучение и даже пребывание в открытом космосе.
Для более сложных организмов подобная «полная остановка» метаболизма невозможна, но в природе встречается много вариаций его замедления. Одна из них, оцепенение, встречается у пойкилотермных (холоднокровных, не поддерживающих постоянную температуру тела) животных — рептилий, земноводных, рыб, насекомых. Во время зимнего оцепенения температура их тела может опускаться ниже нуля. Животные, готовящиеся промерзнуть до костей, накапливают в клетках криопротекторные вещества — например, глицерин или сахарозу, чтобы защитить их от повреждений кристаллами льда.
Особый вид оцепенения, описанный очень подробно для насекомых, — диапауза — может наступать на любом этапе развития организма (онтогенеза), при этом развитие останавливается и откладывается до лучших времен.
Эти и другие формы пониженной функциональной активности, такие как спячка или гипотермия, объединяются термином гипобиоз. Он может быть как естественным — в виде адаптивного механизма, позволяющего организму подстраиваться под меняющиеся условия окружающей среды, так и искусственным.
Как спят теплокровные?
Гомойотермные — теплокровные — животные впадают в спячку, чтобы переждать неблагоприятные условия. Зимняя спячка (гибернация) помогает переждать холода и недостаток пищи, а летняя (эстивация) — жару и засуху. Впадая в спячку, гомойотермные животные фактически теряют на время способность поддерживать температуру тела, поэтому их еще называют гетеротермными, поскольку иногда они теплокровные, а иногда нет.
Во время спячки замедляется дыхание, сердцебиение и нервная деятельность, а температура тела снижается. В спячку впадают некоторые грызуны, насекомоядные, летучие мыши, медведи и даже птицы. Считалось, что приматы не впадают в спячку, пока в 2004 году не выяснилось, что толстохвостый лемур (Cheirogaleus medius) семь месяцев в году проводит в спячке, спрятавшись в дупло, чтобы пережить жаркий сезон на Мадагаскаре.
У разных животных продолжительность спячки может сильно различаться: желтый суслик (Spermophilus fulvus) спит около девяти месяцев, а колибри (Eulampis jugularis) — всего сутки; у бурого медведя температура тела падает до 31 градуса Цельсия, а у земляных белок рода Xerus до -2.
Важно понимать, что спячка — это не глубокий сон, а совершенно другой физиологический процесс. Более того, у большинства животных периоды низкого метаболизма (torpor) во время спячки каждую неделю или две сменяются периодами обычного сна — при этом у них повышается температура и изменяется активность мозга. На эти периодические «пробуждения» тратится до 90 процентов всей энергии, затрачиваемой на спячку, а значит, они очень важны для организма.
Спячка также не является комой. Сильное патологическое торможение работы центральной нервной системы во время комы вызывает нарушение согласованности работы всех систем организма, пульс может как учащаться, так и замедляться, нарушения кровообращения мозга могут вызвать необратимые изменения. Спячка же — это слаженный регулируемый процесс. Создание искусственной спячки для млекопитающих затруднено в том числе потому, что ее механизмы разнообразны и не до конца изучены. Рассмотрим этот процесс на примере сусликов.
Как спят суслики?
Спячка у суслика начинается с подготовки: зверьки накапливают подкожный жир, в частности бурый — особый тип жировой ткани, клетки которой богаты митохондриями. Такая ткань способна выделять огромное количество тепла, и именно она помогает разогреть тело, и в первую очередь сердце, во время периодических пробуждений и выхода из спячки. Бурый жир есть не только у сусликов и других зимоспящих видов, но и у людей. Особенно хорошо он развит у человеческих младенцев — бурый жир компенсирует недостаточно развитую терморегуляционную систему новорожденных и позволяет им переносить холод лучше взрослых (и лучше, чем кажется взрослым).
Суслики также делают себе глубокую зимовочную нору — это безопасное место для спячки (hibernaculum), где температура гораздо выше и более стабильна, чем на улице. Процесс засыпания регулируется гипоталамо-гипофизарной системой, запускающей каскад гормональных изменений, в том числе снижение выработки тироксина, регулирующего поддержание температуры тела.
Еще одним пусковым механизмом спячки сусликов являются изменения клеточного метаболизма и экспрессии генов. Митохондриальная активность в клетках резко снижается, поскольку основными источниками энергии вместо углеводов становятся липиды. Также происходит снижение скорости транскрипции и трансляции за счет обратимого фосфорелирования нескольких ферментов, регулирующих транскрипцию, а также за счет регуляции работы ферментов в зависимости от температуры. Во время спячки у сусликов активно синтезируется белок лептин, способствующий накоплению жира, а также α2-макроглобулин, улучшающий микроциркуляцию при замедленном кровообращении и предотвращающий свертывание крови.
Снижение температуры воздуха становится сигналом для запуска всех систем, регулирующих спячку: суслик затыкает входное отверстие норы землей и впадает в оцепенение. В отличие от обычного сна, когда зверьку достаточно шороха, чтобы вскочить и убежать, в состоянии оцепенения суслик не реагирует на внешние раздражители.
Температура тела зверька перестает поддерживаться на обычном уровне в 37-38 градусов Цельсия и снижается практически до температуры среды — 2-4 градусов, превышая ее не более чем на пару градусов. Понижение температуры сопровождается замедлением метаболизма, в первую очередь сердцебиения и дыхания. Частота сердцебиения и дыхания сокращается у сусликов иногда в сто раз — с 400 ударов в минуту до всего четырех, и со 100 дыханий в минуту до одного.
Способствует ли охлаждение гипобиозу?
Чтобы проверить, как охлаждение отразится на состоянии животных, был проведен ряд экспериментов. Так, в 2005 году ученым из Питтсбургского университета удалось погрузить собак в состояние гибернации на два часа, после чего их вернули к жизни практически без повреждений мозга. Чтобы этого добиться, исследователи заменили кровь собак на холодный физраствор, охладив тем самым их тела до 10 градусов Цельсия.
Подобный эксперимент на свиньях провели ученые Бостонского университета. Вдобавок они сымитировали ситуацию тяжелой травмы, как при огнестрельном ранении или повреждении артерии. Когда свиньи потеряли примерно половину своей крови, оставшуюся кровь заменили охлажденным физраствором. Температура тел животных достигла десяти градусов, после чего им зашили поврежденные сосуды и вернули кровь. Все выжившие животные не имели долговременных нарушений здоровья и сохранили нормальную способность к обучению.
Терапевтическая гипотермия сейчас широко используется в медицине при травмах мозга и сердечных приступах у людей. Температуру тела снижают до 32 градусов, при этом у пациента замедляется сердцебиение и снижается давление, а обмен веществ замедляется. Это увеличивает время жизни клеток, что важно при проведении сложных операций.
Удивительный случай гипотермии произошел в 2001 году в Канаде. Годовалая девочка Эрика Нордби вышла на улицу в одном подгузнике при температуре воздуха -11 градусов. Когда девочку нашли, ее тело успело остыть до температуры 16 градусов, а сердцебиения не было уже около двух часов. После отогревания и реанимационных мер девочка полностью восстановилась. Это происшествие вдохновило Марка Рота (Mark Roth) на исследование искусственного гипобиоза у рыбок данио-рерио, вызванного недостатком кислорода.
Самый продолжительный случай гипобиоза у человека был зарегистрирован в 2006 году с 35-летним Мицутака Утикоси в Японии. Мужчина заблудился в горах, получил перелом таза и потерял сознание. Температура его тела упала до 22 градусов, пульс едва прощупывался. В таком состоянии его нашли спустя 24 дня. После лечения мужчина полностью восстановился.
Как вызвать гипобиоз?
Исследователи вели поиски средства, вызывающего замедление метаболизма, так называемую искусственную гибернацию. Давно появилось предположение о существовании особого вещества, способного вызвать спячку. Позже ученым удалось выделить из крови животных, находящихся в спячке, опиоидоподобное вещество HIT (hibernation induction trigger). Хотя, вопреки ожиданиям, это вещество и не вызвало спячку у зверей, которым его вводили, зато оно защищало органы от повреждений. Сегодня HIT успешно используют в трансплантологии, так как оно (и его синтетический аналог DADLE) продлевает жизнеспособность органов.
Поиски вызывающего спячку средства привели к введению в медицинскую практику нейролептиков, производных фенотиазина. Вскоре ученые описали способность этого вещества потенцировать действие средств для общей анестезии и вызывать «искусственную гибернацию». Нейролептики блокируют вегетативные и эндокринные реакции, вызывая у людей нейроплегию — состояние, подобное спячке. Эти вещества используются в анестезиологии при проведении длительных операций.
В 2005 году ученым из США под руководством Марка Рота удалось ввести мышей, не впадающих в спячку в природных условиях, в шестичасовую гибернацию. В камеру с мышами подавали воздух с сероводородом, и у мышей снизилась температура тела до 13 градусов, а обмен веществ замедлился в десять раз. Однако эксперименты с большими млекопитающими — свиньями и овцами — оказались неудачными. Маленькие дозы не вызвали у них спячку, а большие оказались токсичны из-за подавления дыхательных процессов в митохондриях животных.
Еще в конце 1980-х исследовательская группа под руководством академика Владимира Кованова обнаружила, что живые организмы, насыщенные инертными газами в условиях низкой температуры и высокого давления, впадают в состояние гибернации. Если подавать инертный газ вместе с воздухом, то он легко проникает через легкие в кровеносную систему и достигает всех органов и тканей. Проникая в нервную систему, инертные газы блокируют NDMA-рецепторы, проводящие быстрые сигналы, что приводит к замедлению обмена веществ, и усиливают ГАМК-эргическое торможение, связываясь с ГАМК-рецепторами, замедляющими проведение импульсов в нервной системе.
Инертные газы, проникая через мембраны, образуют в клетке микрокристаллогидраты (клатраты). В составе клатратов вода находится в неактивном состоянии, поэтому их образование тормозит все процессы в клетке, то есть замедляет метаболизм. Кроме того, клатраты в клетках не дают расти кристаллам льда при понижении температуры ниже нуля, то есть клатраты играют роль криопротекторов при замораживании клеток и органов.
В экспериментах, проведенных на крысах, выяснилось, что все инертные газы замедляют метаболизм, но самым эффективным из них является ксенон. Время максимального выживания крыс в герметичной камере с содержанием ксенона 80 процентов — в 3,5 раза больше по сравнению с камерой, наполненной воздухом.
«Фармакологическое торможение симпатической нервной системы — давно известное явление. Инертные газы блокируют рецепторы в ЦНС и снижают обмен веществ. Ксенон из них самый мощный, действует в 20 раз сильнее, чем аргон. Лучше всего все фармакологические средства действуют на тех, у кого бывает спячка в природе, но и с крысами можно было добиться эффекта, хотя и не такого сильного», — говорит доктор медицинских наук, ведущий научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН Владимир Николаевич Ананьев.
С крысами получилось
В 2015 году Фонд перспективных исследований совместно с пущинским Институтом биофизики клетки РАН создали Лабораторию криоконсервации и гипобиоза. С тех пор у сотрудников лаборатории вышло несколько статей, посвященных механизмам спячки якутского суслика (Spermophilus undulatus). В частности, в исследованиях были рассмотрены приспособления к спячке нервной системы, поперечно-полосатой мускулатуры, а также накопление фосфолипидов в печени и сезонные изменения в экспрессии белков в мозге.
Сейчас в Лаборатории криоконсервации и гипобиоза разрабатывают препарат для гибернации мышей и кроликов на основе ксенона, в виде газовой смеси и в виде таблеток. Ксенон является одним из компонентов сложной композиции, состав которой исследователи не раскрывают. В разработанной рецептуре он выступает в качестве анестетика, нейропротектора и кардиопротектора.
«В рамках проекта разработана рецептура, при введении которой в эксперименте с крысой удалось поддерживать состояние гипобиоза до семи суток, причем его продолжительность можно регулировать составом и дозой препарата. Достаточно дополнительно ввести его внутривенно, и гипобиоз будет продолжаться столько, сколько нужно», — рассказала заместитель руководителя лаборатории Надежда Захарова.
По словам ученого, после прекращения действия препарата экспериментальное животное самопроизвольно восстановилось в течение 10-15 часов. В настоящее время в лаборатории проводятся эксперименты на минипигах.
«Крысу поддерживали в торпороподобном состоянии с помощью автоматизированной системы с обратной связью от физиологических показателей животного. Крысам вводилась рецептура в поддерживающих концентрациях, а также питательная смесь по разработанной программе, обеспечивающая поддержание солевого и энергетического баланса», — рассказала Захарова.
Сердцебиение крыс под воздействием препарата снизилось с 300-600 до 75-150 ударов в минуту, то есть в два–четыре раза, а температура понизилась на 7–8 градусов. Для сравнения, во время спячки у сусликов, сопоставимых с крысами по размеру, частота сердцебиения и дыхания во время спячки снижается примерно в сто раз.
Мы попросили прокомментировать эти результаты Маттео Черри (Matteo Cerri), физиолога из итальянского университета Болоньи, и еще одного пожелавшего остаться анонимным иностранного специалиста, изучающего влияние радиоактивного облучения на мышей и рыбок данио-рерио, которые находятся в состоянии искусственного гипобиоза.
Оба наших эксперта согласились с тем, что искусственная гибернация крыс на протяжении семи суток — настоящее достижение.
«Эффект, вызванный краткосрочным воздействием ксенона, будет вызывать изменения частоты сердечных сокращений, температуры тела и артериального давления, которые вы описали. То есть это не ново. Что тут по-настоящему новое и важное, так это тот факт, что крысы оставались в таком состоянии в течение недели», — прокомментировал Маттео Черри. «Я не знаю ни одного препарата, способного поддерживать спячку в течение семи дней», — добавил эксперт, пожелавший остаться неназванным.
Правда, по мнению наших экспертов, состояние крыс после выхода из эксперимента нуждается в дополнительном изучении. «Учитывая длительное пребывание [крыс] в спячке, необходимо провести тщательное исследование их когнитивных и поведенческих функций. В случае, если состояние спячки сохранялось в течении семи дней без перерыва на бодрствование, необходимо проверить, в порядке ли мышечный тонус, функции почек, нет ли других долгосрочных побочных эффектов», — считает анонимный эксперт.
По словам этого же специалиста, применение ксенона для введения организма в искусственную гибернацию действительно может дать хороший результат без нежелательных побочных эффектов. Однако говорить о практической применимости такого препарата можно будет только в том случае, если это решение окажется рентабельным.
«Ксенон — дорогостоящий медицинский газ, и даже дозы, необходимые для поддержания анестезии человека в течение двух часов, стоят примерно 300 долларов. Если исследователи использовали большие дозы ксенона, чтобы вызвать спящий режим, — стоимость значительно возрастет. При таких условиях препятствием [для его широкого применения в медицине] может стать именно стоимость».
По словам Надежды Захаровой, никаких побочных эффектов воздействия нового препарата на крыс в ходе эксперимента не наблюдалось. «Для человека необходим пересчет доз после клинических исследований», — говорит она.
На очереди человек
Срок реализации проекта по разработке технологии создания фармакологически индуцированного торпороподобного состояния (ФИТС) мышей и кроликов и создание самого препарата составил 40 месяцев. Дальнейшие цели работы лаборатории — разработка технологии для людей. По словам Захаровой, для космонавтов уже разрабатывается макет оборудования с обратной связью, в котором один насос подает газовый препарат, а с помощью инфузионного насоса в организм поступает питательный раствор.
Ученые считают, что человеку, так же как и гибернирующим животным, необходимы периодические пробуждения для стимуляции нервной и иммунной систем, которые могли бы осуществляться сменой подаваемой газовой смеси. Однако, по словам Захаровой, эксперименты по периодическому выводу из гибернации и погружению в гибернацию в одной серии пока не проводились. Возможная продолжительность спячки для человека также пока неизвестна.
Кроме космических полетов, такие препараты могут быть востребованы в чрезвычайных ситуациях, когда люди попадают в условия недостатка кислорода — при авариях в шахтах и на подводных лодках, при несчастных случаях в горах, открытом море, в любых труднодоступных местах, где пострадавшим невозможно немедленно оказать медицинскую помощь.
В экспериментах на кроликах с потерей половины крови «золотой час», во время которого помощь наиболее эффективна, увеличивался в девять раз, а при введении дополнительной дозы — и на больший срок. Увеличение «золотого часа» важно не только при травмах, но также при инфаркте и инсульте, когда недостаток кислорода в жизненно важных органах можно компенсировать снижением их потребности в кислороде. Препарат также удлиняет продолжительность жизни крысы в 18 раз при снижении концентрации кислорода с 21 процента до 3,5.
«Использование созданных фармакологических препаратов позволит продлить жизнь до оказания первой помощи человеку с летальной гипоксией, смертельной кровопотерей, болевым шоком и переохлаждением», — рассказал руководитель проектной группы ФИТС профессор Анатолий Ковтун.
Препаратам предстоит пройти серию доклинических испытаний на токсичность и мутагенность. «В настоящее время проводятся исследования по оценке безопасности препаратов на лабораторных животных, в соответствии с требованиями и нормами для новых препаратов. Следующий шаг, при успешном прохождении этапа доклинических исследований, — проверка безопасности и эффективности на добровольцах, которая, в соответствии с нормами, обычно длится от 3 до 5 лет», — говорит Ковтун.
Мы попросили оценить перспективы этих исследований наших иностранных экспертов.
«Длительная контролируемая гибернация людей с использованием фармпрепаратов — это святой Грааль всех исследований спячки, от которой зависит развитие длительных пилотируемых космических полетов, — считает анонимный эксперт. — Активность научных исследований на данный момент такова, что уже через пять-шесть лет мы, возможно, научимся погружать человека в гибернацию на несколько часов для ограниченного применения, например при лучевой терапии или для смягчения воздействия радиации. Разработка контролируемой и долгосрочной гибернации для космических миссий может потребовать более десяти лет».
«Учреждение, занимающееся разработкой таких технологий, обладающее необходимыми знаниями и имеющее правильную финансовую поддержку, потенциально могло бы разработать его за десятилетие», — считает Маттео Черри.
Автор: Александра Кочеткова