Wie entzückende hibernierende Eichhörnchen Wissenschaftlern helfen könnten, menschliche Organe zu erhalten

Schlafende Tiere können faul aussehen, aber ihre Körper sind tatsächlich eine herausragende Leistung: In einigen Fällen senken Winterschlaf Tiere ihre Körpertemperatur auf nahe dem Gefrierpunkt (null Grad Celsius oder 32 Grad Fahrenheit) und senken ihre Herzfrequenz dramatisch.

Nun versuchen Wissenschaftler, die Geheimnisse des Winterschlafs zu entschlüsseln, um den medizinischen Fortschritt zu unterstützen. Zum Beispiel könnten Wissenschaftler herausfinden, wie sich die Zellen von Winterschlaftieren an kalte Temperaturen anpassen, und so die Wissenschaftler bei der Verlängerung der Lagerfähigkeit menschlicher Spenderorgane unterstützen, die auf die Transplantation warten.

Darüber hinaus könnten solche Erkenntnisse eines Tages den Forschern helfen, eine Therapie namens induzierte Hypothermie zu verbessern, bei der die Körpertemperatur nach einem Herzstillstand oder einer Hirnverletzung bewusst gesenkt wird. Diese Therapie kann helfen, das Gehirn bei solchen Patienten zu schützen, aber es kann Nebenwirkungen aufgrund von kalt induzierten Zellschäden haben.

"Durch das Verständnis der Biologie der Kälteanpassung im Winterschlaf könnten wir in der Lage sein, die Anwendungen der induzierten Hypothermie in der Zukunft zu verbessern und zu erweitern und möglicherweise die Lebensfähigkeit von Organen vor der Transplantation zu verlängern", erläutert Wei Li, leitender Forscher im National Eye Institut Retinal Neurophysiologie Abschnitt und Co-Autor Studie, sagte in einer Erklärung. Li stellte fest, dass Spendernieren derzeit nicht länger als 30 Stunden gelagert werden können, bevor sich das Gewebe zu verschlechtern beginnt. [Die 12 seltsamsten Tierentdeckungen]

Für die neue Studie konzentrierten sich die Forscher auf das dreizehn gesäumte Erdhörnchen (Ictidomys tridecemlineatus), ein kleines Winterschlafnager, das in Zentralamerika lebt. Während ihrer Winterschlafperiode senken die Tiere ihre Körpertemperatur dramatisch auf knapp über dem Gefrierpunkt und senken laut der University of Michigan ihre Herzfrequenz von ihren üblichen 200 Schlägen pro Minute auf etwa 20 Schläge pro Minute.

Bei der Untersuchung von Zellen dieser Tiere waren die Forscher besonders an einer zellulären Struktur interessiert, die als Mikrotubuli-Zytoskelett bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um ein Netzwerk aus kleinen Röhrchen, das eine Zelle strukturell unterstützt und für die Kälte anfällig ist.

Die Forscher verglichen die Eichhörnchenzellen mit menschlichen Zellen. Sie fanden heraus, dass das Mikrotubuli-Zytoskelett in Erdhörnchen-Zellen intakt blieb, wenn es kalten Temperaturen ausgesetzt war, während das Mikrotubulus-Zytoskelett in menschlichen Zellen sich verschlechterte.

Die Studie fand auch heraus, dass die Mitochondrien - die "Kraftpakete" der Zellen, die Energie liefern - unterschiedlich auf Kälte reagieren, wenn sie von den Eichhörnchenzellen stammen, verglichen mit menschlichen Zellen. Insbesondere produzierten die menschlichen Zellen ein Stoffwechselnebenprodukt, das reaktive Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) genannt wurde, und es war dieser hohe ROS-Spiegel, der die Zerstörung der Mikrotubuli verursachte. Im Gegensatz dazu blieben die ROS-Spiegel in den Mitochondrien von Erdhörnchen gering.

Darüber hinaus hatten menschliche Zellen Probleme mit Komponenten namens Lysosomen, die bei der Abfallentsorgung in der Zelle helfen. Während der kalten Exposition, Lysosomen in den menschlichen Zellen leckte Enzyme genannt Proteasen, die in der Nähe von Mikrotubuli verdaut, die Studie gefunden.

Als nächstes versuchten die Forscher, nichthimnierende Zellen eher wie Hibernationszellen zu wirken, indem sie zwei Medikamente verwendeten: eines, das die Produktion von ATP inhibiert, eine Verbindung, die die Produktion von ROS reduziert, und eine andere, die die Proteaseaktivität inhibiert. Sie fanden heraus, dass diese Medikamentenkombination die Mikrotubuli-Struktur in Zellen von Nichthibitoren konservierte, wenn die Zellen kalten Temperaturen ausgesetzt waren.

Für die meisten dieser Experimente verwendeten die Forscher ein Modell des Winterschlafs, das sie als "Winterschlaf in einer Schale" beschrieben. Sie nahmen Zellen von einem neugeborenen dreizehngestreiften Ziesel und programmierten sie zu Stammzellen, die als induzierte pluripotente Stammzellen bekannt sind, die zu jedem Gewebe im Körper werden können. Sie hoffen, dass dieses Modell als Plattform für die Untersuchung anderer Aspekte des Winterschlafs dienen kann.

Die Studie wurde gestern (3. Mai) in der Zeitschrift Cell veröffentlicht.

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