Устойчивость к холоду у животных сохраняется на уровне стволовых клеток
Исследователи под руководством Гэнсиро Сунагавы из Центра динамических исследований биосистем RIKEN (BDR) в Японии показали, что стволовые клетки животного обладают таким же уровнем устойчивости к холоду, как и само животное.
Опубликованное 17 августа в Cell Reports исследование сосредоточено на мышах с разными характеристиками, подобными спячке. Оно показало, что у мышей с наилучшей устойчивостью к низким температурам стволовые клетки вырабатывают энергию иначе, чем у других.
Помимо этих непосредственных выводов, работа устанавливает стволовые клетки мыши в качестве практической модельной системы для дальнейших исследований в области сохранения органов и даже гибернации человека.
Низкие температуры в конечном итоге вызывают необратимые повреждения, будь то при транспортировке органов для пересадки или при попытке временно "законсервировать" мозг после инсульта. В то же время впадающие в спячку животные могут выживать месяцы при низкой температуре тела, так как их метаболизм резко замедляется. Команда Сунагавы из Лаборатории биологии гибернации RIKEN BDR пытается понять, как животное или только его органы могут выживать в таких условиях.
Вместо изучения диких животных, впадающих в спячку, они используют лабораторных мышей, чтобы контролировать генетические переменные. Целью новых экспериментов было определить, можно ли использовать стволовые клетки мыши для изучения сохранения органов и гибернации. Это открыло бы поле для экспериментальных систем, уже разработанных для изучения стволовых клеток, и сократило бы необходимость использования живых животных в исследованиях.
Хотя мыши фактически не впадают в спячку, они могут входить в короткий одночасовой период оцепенения, называемый торпором. Исследователи протестировали линии инбредных лабораторных мышей и охарактеризовали торпор по самой низкой температуре тела и самому низкому потреблению кислорода, которого достигали мыши.
Были обнаружены три линии: с неглубоким, глубоким и промежуточным торпором. Затем из каждой линии мышей были получены линии эмбриональных стволовых клеток, и был изучен клеточный метаболизм при температуре тела мыши (37°C) и при пониженной температуре (31°C).
Энергия, необходимая клеткам (и, следовательно, животным) для выживания, производится двумя способами:
- Гликолиз — расщепление молекул сахара. Этот процесс не требует кислорода.
- Окислительное фосфорилирование (OXPHOS) — происходит в митохондриях и требует кислорода.
Исследователи обнаружили, что стволовые клетки мышей с неглубоким и промежуточным торпором переключались на гликолиз при более низкой температуре, а клетки мышей с глубоким торпором — нет. Эти клетки поддерживали высокий уровень потребления кислорода при всех температурах, что означало, что кислород каким-то образом оставался доступным несмотря на холод. Дальнейшие тесты показали, что способ выработки энергии с использованием кислорода в митохондриях клеток глубокого торпора отличался от других, причём кислород поступал из внешнего источника.
Наконец, учёные проверили, актуальны ли выводы, сделанные на стволовых клетках, для взрослых мышей. Исследование ткани печени каждой линии мышей показало, что, как и в стволовых клетках, ткань мышей с глубоким торпором не полагалась на гликолиз в холоде и поддерживала высокий уровень использования кислорода. Таким образом, даже не находясь в состоянии торпора, ткани этих мышей лучше сохранялись при более низких температурах.
"Мы доказали, что различные реакции на более низкие температуры, уникальные для каждого штамма, сохраняются даже на клеточном уровне. Это предоставляет огромную возможность для проведения in vitro исследований холодоустойчивости тканей животных, способных к торпору", — говорит Сунагава.
В конечном итоге они надеются научиться индуцировать аналогичную устойчивость к холоду в тканях любого животного.
"В долгосрочной перспективе понимание, полученное с помощью этой системы, поможет нам разработать способы реализации гибернации человека или криоконсервации человеческих органов".