Учёные создали «гибернацию в чашке» для изучения адаптации животных к холоду

Исследователи из Национального института глаз (NEI, часть NIH) обнаружили клеточные механизмы, помогающие тринадцатиполосому суслику выживать в спячке. Результаты могут помочь продлить хранение донорских тканей человека перед трансплантацией и защитить пациентов с черепно-мозговой травмой, которым проводят индуцированную гипотермию. Работа опубликована 3 мая в журнале Cell.

Во время спячки суслик выдерживает температуры, близкие к нулю, с резким замедлением сердцебиения и дыхания. Как ткани суслика адаптируются к холоду и метаболическому стрессу, оставалось загадкой.

Ключевая структура, уязвимая к холоду, — микротрубочковый цитоскелет. Эта сеть трубочек обеспечивает структурную поддержку клетки и действует как внутриклеточная транспортная система.

Группа под руководством Вэй Ли (Wei Li, Ph.D.) и Цзинсин Оу (Jingxing Ou, Ph.D.) сравнила клетки незимоспящих животных и суслика. Они обнаружили, что в нейронах суслика микротрубочковый цитоскелет остаётся неповреждённым при охлаждении, тогда как в нейронах человека и крыс он разрушается.

Для изучения биологических основ адаптации учёные создали «гибернацию в чашке». Клетки новорождённого суслика перепрограммировали в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC). Эти клетки сохранили врождённые холодовые адаптивные характеристики взрослого суслика, став платформой для исследований.

Сравнение экспрессии генов в нейронах, полученных из стволовых клеток суслика и человека, выявило ключевые различия в реакции митохондрий — органелл, производящих энергию в форме АТФ. При охлаждении человеческие нейроны производили избыток активных форм кислорода (АФК). Это вызывало окисление белков вдоль микротрубочек и разрушение их структуры. У сусликов уровень АФК оставался низким, а микротрубочки — целыми.

Холод также нарушал у человеческих нейронов работу системы контроля качества белков. В норме лизосомы переваривают окисленные белки с помощью протеаз, но при охлаждении протеазы вытекали из лизосом и разрушали соседние микротрубочки.

Исследователи обработали клетки незимоспящих животных двумя препаратами перед охлаждением:

1. BAM15 — ингибирует производство АТФ, снижая выработку АФК.
2. Второй препарат — ингибирует активность протеаз.

После обработки и воздействия температуры 4°C в течение 4–24 часов комбинация препаратов сохранила структуру микротрубочек в человеческих нейронах и в сетчатке крысы. Последующие тесты показали, что сетчатка крысы также сохранила функциональность.

Комбинация препаратов также защитила и ненервные ткани: микротрубочки в клетках почек мыши показали улучшенную структурную целостность после охлаждения и последующего согревания.

Помимо перспектив для трансплантологии, эти открытия прокладывают путь для будущих исследований терапевтических применений. Например, индуцированная гипотермия часто используется для защиты мозга после травмы, но её потенциальная польза сопоставляется с риском холодового повреждения клеток.

«Понимая биологию холодовой адаптации в спячке, мы сможем улучшить и расширить применение индуцированной гипотермии в будущем, а также, возможно, продлить жизнеспособность органов перед трансплантацией», — сказал Вэй Ли. — «Почки, например, обычно хранятся не более 30 часов. После этого ткань начинает разрушаться. У сердца, лёгких и печени срок хранения ещё меньше».

Результаты также показывают, что нейроны, полученные из стволовых клеток суслика, могут служить платформой для изучения других аспектов адаптации к спячке — области исследований, ограниченной отсутствием трансгенных моделей животных и невозможностью искусственно вызвать спячку.