Під час зимового походу в нетрі Аляски ви можете переступити через те, що схоже на мертву жабу, щільно скуту під листям. Очі в нього кригою, серце не б’ється, легені нічого не роблять.
І все ж ця жаба жива.
Приходить весна, відлига, прокидається і наче зими й не було. Для вчених, які намагаються зберегти людські органи живими поза тілом, цей трюк спонукає до роздумів.
Жаба, яка порушує правила життя і смерті
лісові жаби – Lithobates sylvaticusтакож відомо Рана Сільватіка – живуть північніше інших земноводних, навіть за полярним колом. На відміну від більшості жаб, вони не впадають у сплячку під водою. Вони ховаються під листовим опадом і піддаються холоду.
При зниженні температури повітря 65-70 відсотків води в їх організмі перетворюється на лід. Більше немає дихання і нервової діяльності.
«За будь-яких умов ця тварина клінічно мертва», — сказав Шеннон Тессьє з Массачусетської загальної лікарні, чиї дослідження вивчають морозостійких тварин. Вчений.
«Якщо у вас є заморожена жаба, вона нагадує камінь», — додав Раша Аль-Аттар, біолог із лабораторії Тесьє. Вчений.
Потім, коли температура підвищується, жаба линяє і продовжує своє життя. «І починайте рухатися [their] день, ніби нічого не сталося”, – сказав Аль-Аттар.
Ця здатність розвивалася як ретельно визначений каскад змін, які захищають клітини від руйнівного впливу заморожування. Як ви можете собі уявити, ця можливість дуже корисна для багатьох речей, які нам потрібні; деякі з них могли б рятувати десятки тисяч людей щороку.
Саморобний антифриз: цукор, сечовина та порятунок
Заморожування зазвичай руйнує клітини зсередини. Кристали льоду утворюють і проколюють клітинні мембрани, викликаючи руйнування крихких структур. Люди не можуть пережити цей процес, тому кріоніка залишається науковою фантастикою. Поки що.
Але лісові жаби роблять щось інше. Вони витісняють лід назовні, а не всередині своїх клітин. При цьому їх печінка наповнює організм глюкозою. Їхні нирки перестають виділяти сечу, дозволяючи сечовині накопичуватися в крові. Разом цукор і сечовина діють як кріопротектори — фактично природний антифриз.
Цей біохімічний коктейль не дає клітинам зменшуватися або розриватися під час заморожування та відтавання. Цей процес не відбувається одноразово. У дикій природі жаби проходять повторювані цикли заморожування-відтавання протягом зими.
Дон Ларсон з Арктичного біологічного інституту Університету Аляски в Фербенксі та його колеги написали в дослідженні: «Ми припускаємо, що це модель заморожування в природних умовах, яка включає кілька циклів заморожування та відтавання, що викликає високу концентрацію глюкози, яка накопичується в тканинах аляскинських лісових жаб». Дослідження Ларсона були одними з перших, які вивчали екологічну фізіологію та поведінку морозостійких лісових жаб, які впали в сплячку в природних умовах.
«Наші результати показують, що аляскинські лісові жаби можуть виживати в льоду до 7 місяців при низькій температурі до -18°C», — заявила група Ларсона.
Тільки сибірські саламандри (Salamandrella keyserlingii) конкурувати з ними. Ці рептилії також линяють і оживають, коли приходить весна, демонструючи дивовижну стійкість проти температур до -50°C (-58°F).
Не всі жаби замерзають однаково
Лісові жаби не єдині в цій стратегії заморожування. Сіра деревна жаба Копа (Гіла хризосцелісна) також витримують наступні цикли заморожування-розморожування, але вони покладаються на іншу хімію. Замість глюкози вони накопичують гліцерин.
«Ось що таке насправді гліцерин [it] «Кріопрофілактика захищає клітини від фізичних впливів заморожування та відтавання», — сказала Карісса Кран з Університету Дейтона в інтерв’ю виданню Вчений.
Гліцерин рівномірно розподіляється по клітинних мембранах, запобігаючи небезпечному дисбалансу води під час линяння жаби. Команда Крейна виявила, що клітини жаб, які звикли до холоду, менш схильні до вибуху під впливом стресу, ніж клітини жаб із більш теплим кліматом.
«Одна з причин, чому цей організм такий цікавий для нас, полягає в тому, що цей механізм гліцерину, як було показано в інших системах, працює як дуже хороший кріопротектор», — сказав Кран.
Вчені вже використовують гліцерин для збереження мікробів і сперми. Що жаби можуть принести до столу, так це метод безпечного, відтворюваного та масштабного розміщення в живому тілі.
Від листя до операційних
Для хірургів-трансплантологів час – ворог. Після вилучення у донора більшість органів залишаються життєздатними лише години.
«Ви кладете орган у мішок із льодом і біжите до реципієнта. У вас є близько годин», — сказав Коркут Уйгун з Массачусетської загальної лікарні.
Це коротке вікно формує всю систему трансплантації. Органи не можна гнучко зберігати або транспортувати. У США щодня в очікуванні трансплантації помирає близько 13 людей.
Але аляскинські жаби показують, що це обмеження не є неминучим.
Тонер, Уйгун, Тесьє та їхні колеги почали втілювати стратегії жаб у медицині. Вони не намагаються перетворити людей на земноводних. Натомість зараз вони уважно вивчають цих тварин, щоб дізнатися, як цю фантастичну здатність можна використовувати для збереження органів.
Один урок — контроль над ожеледицею. Жаби допускають появу льоду в передбачуваних місцях. Натхненні цим, дослідники виявили бактеріальні продукти, які сприяють утворенню льоду поза клітинами та зменшують шкоду, спричинену заморожуванням.
Ще один урок – глюкоза. Лісові жаби споживають велику кількість цукру, який є токсичним для клітин людини. Тому команда Тонера розробила модифікований аналог глюкози, який клітини не можуть метаболізувати.
Рішення спрацювало. Використовуючи аналог разом з контрольованим охолодженням, вчені зберігали печінку щурів до чотирьох днів. Згодом пересадили нирку свині, яка понад тиждень пролежала в морозилці. Нещодавно цей ліміт збільшили до десяти днів.
Уповільнення життя, щоб врятувати його
Кріопротектори – це лише частина історії. Жаби також закриваються, оскільки їхній метаболізм сповільнюється, щоб вижити.
Натхненна цим, команда Тонера перед заморожуванням обробила клітини ссавців препаратами, які сповільнюють біосинтез. Клітини, оброблені таким чином, пережили розморожування краще, ніж необроблені клітини.
Багато тварин — від сплячих ведмедів до сплячих свиноматок — виживають у суворих умовах, розраховуючи на життя, а не борючись із навколишнім середовищем.
«Чарівної молекули не існує», — сказав Уйгун. «Треба це організувати, бо так насправді робить природа [it]. Є якась злагодженість, якась хореографія.
Майбутнє, створене в замороженому часі
Лісові жаби не думають про черги на пересадку. Мерзнуть, бо цього вимагає зима. Але дослідження їхніх стратегій виживання відбувається в той час, коли медицина готова до них прислухатися.
Дослідники уявляють собі майбутнє, де органи рухатимуться через віртуальний ланцюжок поставок. Хірурги можуть планувати операції на дні або тижні наперед. Уявіть, що донорські органи подорожують через континенти. Зіставлення донорів і реципієнтів стає більш точним і менш інвазивним.
Повернувшись у ліс, жаба спочатку тане в його мозку та серці. Через кілька годин життя починається знову. Те, що виглядає як відродження, насправді є підготовкою — нагадуванням про те, що еволюція вже вирішила багато проблем, про які зараз ставлять люди.
Подекуди майбутнє медицини застигло під ногами в очікуванні весни.
