Отчего животные впадают в зимнюю спячку? Разгадка этого секрета поможет спасти тысячи жизней
Писатели-фантасты давно рассказывают про космонавтов, погружающихся в анабиоз во время полетов к далеким звездам. В этом состоянии их метаболизм (обмен веществ в организме) замедляется до минимума, сокращая потребность организма в еде и кислороде. Но мало кто знает, что многие животные на Земле с легкостью проделывают подобный трюк. Длиннохвостые суслики, например, во время долгой зимней спячки переносят понижение температуры тела до –2°С. Древесная лягушка зимой превращается фактически в сосульку.
Ученые на молекулярном уровне изучают секреты состояний зимней спячки и экстремальной гипотермии в надежде получить средство для искусственного замедления метаболизма на несколько часов. Ведь порой этого драгоценного времени не хватает, чтобы человека, попавшего в автокатастрофу, перестрелку или перенесшего обширный инфаркт, могли доставить в больницу до того, как произойдут необратимые разрушения мозга.
Испытания на людях только планируются, но трудно переоценить их последствия в случае удачи. Без кислорода клетки сердца начинают погибать через 20 минут, мозга — через пять. Несмотря на дефибрилляторы и другое реанимационное оборудование, доля выживших после остановки сердца в больницах составляет около 30%, а вне стен медицинских учреждений — всего 5%.
«Моя цель — расширить границы реанимации», — говорит биолог Марк Рот из Центра исследований рака имени Фреда Хатчинсона в Сиэтле. В 2005 году он успешно провел опыты по погружению мышей в состояние, близкое к зимней спячке, с помощью небольшой дозы сероводорода. Потребление кислорода у подопытных животных упало на 90%, резко снизилась температура тела. Они перенесли смертельную нехватку кислорода в течение шести часов. Компания Ikaria Holdings, одним из основателей которой является Рот, уже начала испытания воздействия микродоз сероводорода на людей. Осенью прошлого года Рот получил грант от Фонда Макартура для продолжения своих исследований.
В двух морозильных комнатах лаборатории Ханны Кэрри, физиолога из Университета штата Висконсин, спят 100 белок. Кэрри обнаружила, что впавшие в спячку белки могут обходиться без кислорода до 20 минут. По ее мнению, в организме белок есть генетические механизмы защиты от холода, позволяющие животным переносить такое состояние без отказа жизненно важных органов. «Я часто говорю, что люди — из ряда вон выходящий случай», — шутит Кэрри.
Традиционная медицина всегда стремится увеличить приток кислорода к клеткам. Искусственный анабиоз предполагает полностью противоположный подход: резкое сокращение потребности в кислороде в критический момент. «Это открывает перед нами гигантские возможности», — говорит кардиолог-педиатр из Университета Торонто Эндрю Редингтон.
Самый простой испытанный способ замедлить метаболизм у человека — это заморозить его. В 2002 году два исследования дали следующий результат: понижение температуры тела на 13°С помогает предотвратить повреждение мозга при временной остановке сердца. Одно из исследований показало также, что охлаждение приводит к увеличению шансов на выживание без тяжелых последствий с 26% до 49%.
Сэмюэл Тишерман и Патрик Кочанек из Центра исследований реанимации при Университете Питтсбурга надеются, что радикальное охлаждение может помочь пациентам с травмами внутренних органов. В опытах на собаках ученые обнаружили, что вливание в артерии холодной соленой воды и охлаждение тела животного до +15°С помогают сохранить жизненно важные органы в течение трех часов после остановки сердца. Результаты исследования, опубликованные в Circulation, показали, что подобная «глубокая заморозка» спасла жизни 12 из 14 собак, у которых была зафиксирована остановка сердца в результате потери крови. Все животные из контрольной группы, к которым применяли стандартные методы сердечно-легочной реанимации, погибли.
«Сердце останавливается, электрическая активность мозга сходит на нет, по всем параметрам мы имеем мертвое животное», — говорит хирург-травматолог Главной больницы штата Массачусетс в Бостоне Хасан Алам, комментируя метод, опробованный им на свиньях. При таком состоянии животного Алам может потратить до часа на проведение хирургической операции. «Я могу добиться выживания животного, получившего смертельную травму», — говорит он. Алам и Тишерман рассчитывают начать тестирование метода глубокой заморозки на 50 пациентах в конце этого года.
Но глубокая заморозка — сложный метод, требующий слаженной работы не менее четырех высококвалифицированных специалистов. Куда проще было бы иметь лекарство, которое вводило бы человека в состояние, аналогичное зимней спячке у животных. В этом направлении работает Марк Рот из Сиэтла. Он начал исследования 10 лет назад, воодушевленный рассказами о рыбаках и лыжниках, выживших после многочасового пребывания в ледяной воде или снегу. В начале он ставил опыты на кольчатых червях, которые обладают уникальной возможностью в случае кислородного голодания впадать в спячку. Он обнаружил пару генов, которые, возможно, имели отношение к этому процессу.
Это дало Роту основания предполагать, что аналогичное состояние можно вызвать и у млекопитающих. На сероводород как возможный катализатор процесса он напал совершенно случайно, увидев в 2002 году по телевизору репортаж о спелеологах, которым пришлось надеть респираторы для изучения некоторых пещер, где скопился токсичный газ. Ему пришлось долго упрашивать пожарную службу Сиэтла дать разрешение на хранение баллона со сжатым газом, который может в принципе быть использован для создания биологического оружия.
Когда они вместе с коллегами дали мышам небольшую дозу сероводорода, температура тел животных резко упала, они прекратили двигаться, а частота дыхания сократилась до всего лишь нескольких вдохов в минуту. Спустя шесть часов мыши пришли в себя без каких-либо признаков повреждения мозга. Отчет об опыте был опубликован 22 апреля 2005 года в журнале Science. В последующих опытах Рот понизил содержание кислорода в смеси с 21% до 5%. Мыши в контрольной группе, которые не получили сероводорода, погибли через 15 минут; остальные благополучно вернулись к жизни через шесть часов.
В 2005 году Рот и Центр Хатчинсона основали компанию Ikaria и получили $10 млн от Arch Venture Partners, Venrock и других компаний. Ikaria исследует различные возможности практического применения сделанных открытий. В результатах одного профинансированного этой компанией исследования Дэвид Лефер из Медицинского колледжа имени Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке приводит данные о том, что небольшие дозы сероводорода снижают у мышей повреждения сердца после инфаркта на 72% даже без введения их в спячку. «Эффект налицо», — говорит Лефер, предсказывающий появление нового поколения лекарств, укрепляющих ткани сердца. Пентагон выделяет средства и Роту, и Ikaria в надежде получить средство, которое позволит истекающим кровью солдатам продержаться до того момента, когда их доставят в госпиталь.
Многие относятся к сероводороду скептически, поскольку он токсичен. Редингтон из Университета Торонто не смог с помощью этого газа добиться эффекта впадения в спячку у свиней. «Похоже, что газ привел только к ухудшению состояния», — говорит он. Ему вторит Кочанек из Питтсбурга: «Они там наткнулись на что-то важное, нет сомнений, но к людям это пока неприменимо».
Рот пытается понять, как работает сероводород. Один из вариантов — связывание с вырабатывающими энергию митохондриями в клетках и перевод их в более спокойное состояние. Параллельно он ставит опыты на разных организмах, от дрожжей до свиней, в поисках других газов, которые могли бы иметь терапевтические свойства. Он провел множество экспериментов, и результаты некоторых из них, по его словам, выглядят многообещающе.