Zdrowie

Kriorewolucja

Numer 6/2019
Dzięki cząsteczkom INA Litoria ewingii może przetrwać w ujemnych temperaturach. Dzięki cząsteczkom INA Litoria ewingii może przetrwać w ujemnych temperaturach. Rudmer Zwerver / Shutterstock
Większości osób zimno kojarzy się raczej negatywnie. Okazuje się jednak, że może być całkiem użyteczne. Dawkowane z umiarem dobroczynnie wpływa na zdrowie i urodę, a nawet zatrzymuje czas.
Krioterapia miejscowa. Opary ciekłego azotu chłodzą zmienioną tkankę.photoshooter2015/Shutterstock Krioterapia miejscowa. Opary ciekłego azotu chłodzą zmienioną tkankę.
W oparach ciek­łego ­azotu przechowuje się długoterminowo materiał biologiczny.MidoSemsem/Shutterstock W oparach ciek­łego ­azotu przechowuje się długoterminowo materiał biologiczny.
Naczynie Dewara.Ekaterina Georgievskaia/Shutterstock Naczynie Dewara.
Urządzenie do kriolipolizy.Ksenija Ok/Shutterstock Urządzenie do kriolipolizy.
Zabieg kriolipolizy ­niszczy komórki tłuszczowe.rumruay/Shutterstock Zabieg kriolipolizy ­niszczy komórki tłuszczowe.

Niesporczaki, niewielkie organizmy bezkręgowe, całkiem niedawno znalazły się w centrum uwagi naukowców na całym świecie. Ich niesamowite zdolności do przetrwania w najbardziej ekstremalnych warunkach środowiskowych wzbudzają zachwyt i niedowierzanie. Niestraszne im są promieniowanie kosmiczne, brak wody, ciśnienie 6000 atmosfer, promieniowanie jonizujące, wysokie temperatury (do 150°C) ani zero absolutne (–273°C). To właśnie ta ostatnia cecha szczególnie interesuje badaczy zajmujących się zastosowaniem niskich temperatur w medycynie. Maleńkie niesporczaki w przypadku ekstremalnie niskiej temperatury wchodzą w stan przypominający hibernację, nazywany kryptobiozą, podczas którego procesy metaboliczne ulegają znacznemu spowolnieniu. „Wybudzają” się, gdy niekorzystne warunki ustąpią. Ich powrót do życia po zamrożeniu możliwy jest dzięki specyficznemu rodzajowi cukru – trehalozie – który zastępuje większość wody obecnej w organizmie niesporczaka. Trehaloza w przeciwieństwie do wody nie krystalizuje, dzięki czemu nie uszkadza komórek i dodatkowo ochrania ich błony. Futurystyczne podejście do medycyny zakłada, że w przyszłości ludzie, podobnie jak i niesporczaki, będą w stanie wybudzić się z kriośpiączki, oszukując czas.

Litoria ewingii i salamandra

Ze stanu zamrożenia potrafią wrócić do świata żywych nie tylko prymitywne organizmy, takie jak bakterie, owady czy wspomniane niesporczaki, ale też płazy. Być może na bazie ich niesamowitych umiejętności pewnego dnia krionika przywróci zamrożonych ludzi do życia. Litoria ewingii to niewielka żaba (osiąga do 5 cm długości) występująca w Nowej Zelandii, południowo-wschodniej Australii i Tasmanii. Spotkać ją można skrytą pod gałęziami i kłodami, gdzie ujemna temperatura utrzymuje się przez wiele godzin, a nawet dni. W przeciwieństwie do ssaków płazy są zmiennocieplne, a temperatura ich ciała zależy od temperatury otoczenia. Okazało się, że u żab przebywających w temperaturze –1°C przez 12 godz. aż 47,5% znajdującej się w ich ciele wody zamarza. Mimo to żaby mają się świetnie.

Naukowcy z University of Otago w Dunedin (Nowa Zelandia) postanowili zbadać, co odpowiada za ten niesamowity fenomen. Udowodnili, że mrozoodporne płazy dysponują dwoma mechanizmami obronnymi. Pierwszy z nich opiera się na wzmożonej produkcji glicerolu, który służy jako tzw. krioprotektant. Gdy temperatura wzrasta, stężenie glukozy w ciele płaza rośnie. Cukier ten zostanie wykorzystany do produkcji energii niezbędnej do wznowienia procesów metabolicznych. Mechanizm drugi zostaje uruchomiony, gdy ujemna temperatura utrzymuje się przez dłuższy czas i sam glicerol nie wystarcza, by ochronić zwierzę. Jeśli nie da się już zapobiec formowaniu kryształów lodu, trzeba ten proces w jakiś sposób kontrolować, tak by nie uszkodził struktury komórek. Służą temu specjalne cząsteczki INA (ang. ice nucleating agent). Okazało się, że żaby gatunku L. ewingii produkują te cząsteczki w swojej skórze, a także pozyskują je z gleby. Umiejętnością tą nie może pochwalić się żaden inny kręgowiec na Ziemi.

Zdolnością przetrwania w jeszcze skrajniejszych warunkach środowiska może pochwalić się też salamandra syberyjska (Salamandrella keyserlingii). Płaz ten osiąga do 16 cm długości i występuje m.in. w Rosji, Kazachstanie i północnej Mongolii. Znosi tamtejszy klimat dzięki niesamowitej zdolności przetrwania w temperaturach sięgających niemal –40°C. Zapada wówczas w stan hibernacji. Ciało salamandry przygotowuje się do niej poprzez zwiększoną syntezę glukozy w wątrobie, transportowanej następnie do innych narządów i przekształcanej w glicerol. Co ciekawe, naukowcy spekulują, że sama produkcja tego związku byłaby niewystarczająca, by przetrwać takie temperatury, i salamandry dysponują dodatkowym, choć wciąż niepoznanym mechanizmem ochronnym.

Kriośpiączka

Krionika to metoda głębokiego schłodzenia ciała i jego przechowywania w temperaturze ciekłego azotu, czyli –196°C. Jej nazwa wywodzi się z greckiego słowa kryos oznaczającego zimno. Zamrożeni pacjenci, dla których obecnie nie ma ratunku, mieliby poczekać z wybudzeniem, aż medycyna rozwinie się na tyle, by ich uleczyć. Ujemna temperatura ciekłego azotu wprowadza ciało w stan kriostazy, co oznacza zatrzymanie wszystkich reakcji chemicznych. Choć wizja ta wydaje się niezwykle odległa, zwolennicy krioniki twierdzą, że w nauce wyważono już wiele drzwi i kwestią czasu jest sforsowanie kolejnych. Najpierw jednak musimy nauczyć się, jak w takich temperaturach przechowywać pojedyncze organy. Na tę chwilę nie potrafimy tego dokonać. Opanowanie tej technologii przyniosłoby prawdziwą rewolucję w transplantologii.

Jak wyglądałoby zamrożenie ludzkiego ciała? Na pewno należałoby je zaopatrzyć w odpowiednik występującej u niesporczaków trehalozy. Substancje, które zapobiegają formowaniu się kryształków lodu w komórkach, nazywa się krioprotektantami. Przy tak gwałtownym spadku temperatur woda obecna w komórce zamieniłaby się w kryształy. Te z kolei zwiększyłyby objętość komórek, które w konsekwencji pękałyby jak baloniki. Następnie temperaturę ludzkiego ciała zmniejszano by bardzo powoli (gwałtowny spadek uszkadza komórki), aż osiągnęłaby –196°C. W dowolnej chwili, nawet po upływie setek lat, czynności życiowe miałyby zostać przywrócone poprzez powolne ogrzewanie ciała aż do osiągnięcia fizjologicznej temperatury. Chętnych na taki „sen” nie brakuje. Kilkaset osób zapłaciło za pośmiertną krioprezerwację swoich ciał w ciekłym azocie w Stanach Zjednoczonych i Rosji. Kolejny tysiąc znajduje się na listach rezerwowych. Obecnie prawo zabrania krioprezerwacji żyjących ludzi, ale zwolennicy tej metody powołują się na fakt, iż ludzkie organy pozostają przez jakiś czas sprawne po śmierci, a lekarze przyszłości będą w stanie przywrócić ich do życia. Ceny krioprezerwacji wahają się od 30 tys. do 200 tys. dolarów.

Krioterapia

Choć powrót do życia zamrożonych ciał wydaje się wciąż odległą perspektywą, zimno pomaga ludziom w nieco inny sposób. Historia jego zastosowania w celach terapeutycznych zaczęła się mniej więcej 4500 lat temu w starożytnym Egipcie jako metoda do walki z różnego rodzaju urazami i stanami zapalnymi. Terapię zimnem popierał też ojciec medycyny Hipokrates. Zimno redukowało obrzęki, zmniejszało ból i krwawienie. Temperaturę obniżano wówczas poprzez okłady bądź lodowe kąpiele.

Rewolucję przyniósł rok 1883, kiedy po raz pierwszy na świecie dwaj Polacy – Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski – dokonali skroplenia tlenu (–183°C) i azotu (–196°C). To właśnie ciekły azot ma dziś szerokie zastosowanie w laboratoriach naukowych, przemyśle chemicznym i medycynie. Okazuje się, że w starym porzekadle „Zimna woda siły doda” jest sporo prawdy. Ludzie zamieszkujący chłodniejsze rejony globu cieszą się długim życiem w zdrowiu. Dlatego, jak podkreślają naukowcy, zimna nie należy się bać. Wpływ zimna na ciało zdarza się nam niejednokrotnie obserwować. Naturalnym odruchem przemarzniętego organizmu jest drżenie mięśni, podczas którego włókna mięśniowe kurczą się, generując ciepło. Na skutek rozszerzenia naczyń krwionośnych nasze policzki się rumienią. Dzięki szybszemu przepływowi krwi tkanki i narządy są lepiej zaopatrywane w tlen, a toksyny zostają szybciej usunięte z organizmu.

Te dobroczynne właściwości zimna z powodzeniem wykorzystuje się w dzisiejszej medycynie. Krioterapia miejscowa polega na skierowaniu na zmienione chorobowo miejsce oparów ciekłego azotu ze specjalnej dyszy. Najczęściej stosuje się ją w leczeniu stawów i mięśni. Z kolei ciekły azot służy do usuwania brodawek, nadżerek i narośli. Zimno powoduje natychmiastową śmierć chorych komórek, przy czym zabieg wykonuje się zazwyczaj bez znieczulenia. Alternatywna wobec krioterapii miejscowej jest krioterapia ogólnoustrojowa. Stała się ona dostępna dzięki prof. Toshiro Yamauchiemu z Instytutu Reumatologii w Oita, który w 1978 r. opracował pierwszą na świecie komorę kriogeniczną. W Polsce pierwsza taka komora pojawiła się w 1989 r. we Wrocławiu. Została skonstruowana pod kierownictwem prof. Zdzisława Zagrobelnego w Instytucie Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych. Za pomocą ciekłego azotu uzyskuje się w takich komorach temperatury od –120°C do nawet –160°C. Początkowo pacjent przebywa w niej przez 30 s, a w miarę postępu terapii czas ten wydłuża się nawet do 3 min. Zabieg wprowadza organizm w stan stresu, pobudzając go do uaktywnienia naturalnych procesów regeneracyjnych. Terapia zmniejsza napięcie mięśniowe, pobudza układ odpornościowy, łagodzi stany zapalne, a nawet wykazuje działanie antydepresyjne. Dlatego stosuje się ją w przypadku zapalenia stawów, naderwania ścięgien i mięśni, zwalczania bólu i po nadmiernym obciążającym wysiłku fizycznym, szczególnie u sportowców.

Zimno kontra tłuszcz

Komórki tłuszczowe – adipocyty – spełniają w organizmie niebagatelną funkcję. Magazynują tłuszcze, które wykorzystywane są w procesie wytwarzania energii. Produkują też hormony i białka. Co ciekawe, w ludzkim organizmie występuje 25–30 mld tych komórek. Problemem jest jednak nie ich liczba, ale wielkość. Nieodpowiednia dieta prowadzi do nadmiernego magazynowania tłuszczów. Adipocyty zachowują się jak baloniki – są w stanie zwiększyć swoją objętość nawet 20 razy (lipogeneza) – ale gdy wszystkie komórki wypełnią się całkowicie, a tłuszcze nadal będą dostarczane, z komórek progenitorowych powstają nowe adipocyty – u osób skrajnie otyłych łączna ich liczba może sięgnąć nawet 260 mld.

Z takich baloników można „wydmuchać” tłuszcze. Dzieje się tak podczas wysiłku fizycznego, kiedy gubimy zbędne kilogramy (lipoliza) – wówczas organizm wykorzystuje zgromadzone tłuszcze w szeregu procesów metabolicznych. W medycynie estetycznej popularną techniką walki ze zbędnymi kilogramami jest liposukcja. Zabieg wykonuje się w znieczuleniu ogólnym lub miejscowym. Przez niewielkie nacięcie w skórze do tkanki tłuszczowej wprowadza się tzw. kaniulę, która działa jak odkurzacz zasysający zbędną tkankę. Jednak ze względu na inwazyjność tej techniki zaczęto poszukiwać metod alternatywnych. Pomocne okazało się zimno, które jest piętą achillesową adipocytów. W niskiej temperaturze zgromadzone w nich tłuszcze krystalizują się, co stanowi sygnał do samobójczej śmierci komórek.

Zabieg polegający na zamrażaniu tłuszczu nazywa się kriolipolizą. Polega na przyłożeniu w otłuszczone rejony ciała specjalnej głowicy, której temperaturę reguluje się w zależności od potrzeb w zakresie od –10 do 0°C. Na skutek chłodzenia tłuszcze krystalizują, a adipocyty umierają. Co ważne, zabieg jest zupełnie nieszkodliwy dla innych rodzajów komórek. Przeciwwskazania do kriolipozy to np. choroby serca, nerek, wątroby, nowotwory. Rezultaty utrzymują się do pół roku po zabiegu. Co dzieje się z martwymi komórkami? Wyłapywane są przez układ limfatyczny, transportowane do wątroby i wydalane z organizmu. Twórcami tej metody są amerykańscy lekarze – Dieter Manstein i Rox Anderson, którzy odkryli wrażliwość adipocytów na zimno.

Krioprezerwacja tkanek i komórek

W dzisiejszych czasach niskie temperatury są wykorzystywane na szeroką skalę w laboratoriach do przechowywania materiału biologicznego. W temperaturze ciekłego azotu wszelkie procesy metaboliczne zatrzymują się, a obecność krioprotektantów zabezpiecza przechowywany materiał przed uszkodzeniami. Pionierem tej metody był James Lovelock, który w latach 50. ub.w. próbował zamrażać krwinki czerwone, jednak bez powodzenia. Skuteczną metodę zamrażania komórek opracowała grupa dr. Christophera Polge’a, której udało się bezpiecznie przechować spermę pozyskaną od różnych gatunków ssaków. Okazało się, że kluczową rolę odgrywa tempo ochładzania próbek. Dziś wiadomo już, że dla większości komórek typowa prędkość ochładzania powinna wynosić około 1°C na minutę, a w próbce powinien znajdować się krioprotektant. Obecnie w ten sposób przechowuje się wiele rodzajów komórek, m.in. plemniki, komórki jajowe, komórki macierzyste, embriony i nasiona roślin.

Mózg nie lubi zimna

W przeciwieństwie do zamrażania komórek mrożenie całych narządów jest bardzo problematycznym procesem. Ze względu na rozmiar serca czy nerki ciężko byłoby osiągnąć odpowiedni czas schładzania, a wymagana ilość krioprotektantu mogłaby okazać się toksyczna. Co więcej, zamrażanie niejednokrotnie deformuje strukturę tkanek. Rewolucyjne badania poczynili jednak Gregory Fahy and Robert McIntyre z amerykańskiej firmy 21st Century Medicine. Opracowali oni innowacyjną technikę, która pozwoliła na bezpieczną krioprezerwację szczególnie trudnej i wymagającej tkanki – mózgu. Z pobranego od królika narządu odessano krew, którą zastąpiono roztworem utrwalacza – aldehydu glutarowego, mającego opóźnić rozkład tkanki. Następnie do naczyń krwionośnych powoli wprowadzano krioprotektant. Tak przygotowany mózg zamrożono w temperaturze –135°C. Po kilku tygodniach połączenia komórek nerwowych pozostały nienaruszone i można było je obserwować na przygotowanych preparatach. Choć mózg po odmrożeniu pozostawał martwy, udało się odtworzyć jego konektom (mapę sieci połączeń neuronalnych).

Być może kiedyś w podobny sposób uda się przechować mózg pacjentów z chorobą Alzheimera (zmiany w jego strukturze wiążą się nie tylko z występowaniem chorób o podłożu neurologicznym, ale także np. z udarami), by lepiej zrozumieć mechanizm powstawania i konsekwencje tej choroby. Dokonanie naukowców zostało docenione przez Brain Preservation Foundation, która nagrodziła ich 27 tys. dol.

Prekursory nerek

Alternatywne podejście do krioprezerwacji narządów wykazali naukowcy z Universitat de València w Hiszpanii. Zamiast mrozić całe organy postanowili przechować ich prekursory. W tym celu z 16-dniowych embrionów królika wyizolowali tkankę, która w późniejszym rozwoju przekształca się w nerki. Następnie przechowywali ją w ciekłym azocie przez 3 mies. Po upływie tego czasu tkanka została wszczepiona do organizmu dorosłych zwierząt. U 25% z nich przekształciła się w nerki. Co ważne, nie wystąpiła u nich reakcja odrzucenia przeszczepu, bo embrionalna tkanka pozbawiona była białek rozpoznawanych przez układ odpornościowy gospodarza. Być może w przyszłości, gdy produkcja ludzkich organów możliwa będzie w zwierzętach, odkrycie hiszpańskich badaczy okaże się użyteczne. Możliwość długoterminowego przechowywania prekursorów nerek jest szczególnie istotna w obliczu faktu, iż dojrzały organ utrzymuje swoje funkcje jedynie do 30 godz. poza organizmem. Później jego transplantacja staje się niemożliwa. Szacuje się, że w USA każdego dnia umiera 5 osób oczekujących na taki zabieg.

Katarzyna Kornicka

***

Hipotermia

Zimno, odpowiednio dawkowane, pozytywnie wpływa na nasz organizm. Sytuacja zmienia się, kiedy zaznamy go w nadmiarze. Gdy temperatura ludzkiego ciała osiągnie 35°C, mamy do czynienia ze stanem hipotermii. Kiedy hipotermia się pogłębia, a temperatura spada do 28°C, następują drastyczny spadek pulsu i utrata świadomości, a stan ten jest bezpośrednim zagrożeniem życia.

***

Naczynie Dewara

W 1898 r. Brytyjczyk James Dewar skonstruował pojemnik o podwójnych ściankach, spomiędzy których usunięto powietrze. Okazało się, że świetnie nadaje się on do przechowywania ciekłych gazów o ujemnych temperaturach, nie dopuszczając do ich nadmiernego parowania. Dziś zbiorniki wypełnione ciekłym azotem, w których przechowuje się próbki, na cześć badacza nazywa się dewarami.

***

Mikroskopia krioelektronowa

Gazy o niskich temperaturach, w tym ciekły etan (–183°C) i ciekły azot, wykorzystuje się też w mikroskopii. Umożliwiają błyskawiczne zamrożenie próbek przy zachowaniu ich struktury. Dzięki temu można obrazować budowę białek w komórkach na poziomie pojedynczych atomów. Na tej podstawie tworzy się trójwymiarowe modele wybranych cząsteczek (m.in. wirusa Zika). Badaczy pracujących nad ulepszeniem tej techniki mikroskopowej uhonorowano w 2017 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii.

01.06.2019 Numer 6/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną