Huňatá inspirace: Vědci pomalu odhalují tajemství medvědích superschopností

Při představě, že sedmdesátikilový muž či žena přiberou během pár týdnů čtyřicet kilo a pak proleží půl roku v posteli, vstávají lékařům vlasy hrůzou na hlavě. Takovému člověku by hrozil dlouhý seznam závažných onemocnění. Těžkou obezitou v kombinaci s dlouhodobou nečinností by si zadělal na hypertenzi, vysoké hladiny cholesterolu v krvi, cukrovku druhého typu, trombózu, aterosklerózu, osteoporózu, svalovou dystrofii a další neduhy.

Do úplně stejné situace se ale každoročně dostávají medvědi, kteří mohou na podzim zdvojnásobit tělesnou hmotnost, přičemž většina padá na vrub zvýšení zásob tělesného tuku. Medvědí „tlouštík“ se uloží na sedm měsíců k zimnímu spánku, aby se na jaře probudil sice vyhublý, ale jinak zcela fit. Tato zimní tělesná proměna je důvodem, proč výzkum zimního spánku medvědů nezajímá jen zoology, ale jeho výsledky bedlivě sledují i lékaři. Jsou přesvědčeni, že od medvědů okoukají recepty na léčbu mnoha civilizačních chorob, záchranu života těžce zraněných a možná otevřou cestu i ke zvládnutí dlouhých meziplanetárních letů.

Medvědí nadváha

Úžas budí schopnost medvědů zvládnout těžkou obezitu bez vážnějších poruch metabolismu, především cukrovky druhého typu, kdy organismus nereaguje na hormon inzulín. U obézních lidí představuje tento typ cukrovky jednu z vážných zdravotních komplikací. Cukrovka druhého typu prudce zvyšuje pravděpodobnost infarktů myokardu, mozkových mrtvic nebo poškození sítnice oka. Tým vedený Joannou Kelleyovou z Washington State University sledoval reakce tukových buněk odebraných z těla hibernujících medvědů a z těla medvědů v plné aktivitě.

Vědci zjistili, že hibernující medvědi produkují osm bílkovin, které udržují v jejich organismu citlivost k inzulínu. Ve studii publikované ve vědeckém časopise iScience poukazují Kelleyová a spol. na skutečnost, že stejné proteiny vyrábí i lidský organismus. Ty však obézním lidem citlivost k inzulínu nezajistí. O tom, zda by se mohli farmakologové inspirovat při vývoji léků proti cukrovce druhého typu medvědími bílkovinami, rozhodnou výsledky dalších experimentů.

V poslední době ale evolucí nabyté medvědí schopnosti selhávají a zvířata čelí stejným problémům, jaké trápí lidskou populaci. Zimy jsou mírnější a kratší a s tím se zkracuje i celková doba hibernace. Medvěd nabírá na podzim tukové rezervy na dříve obvyklou dlouhou a studenou zimu. Nahromaděný tělesný tuk pak nestihne během zkrácené hibernace spálit a na jaře se probouzí s „nadváhou“. Po několika mírnějších zimách už podíl tuku v těle šelmy dosahuje i mimo zimní období tak vysokých hodnot, že to nelze označit jinak než jako obezitu.

Lék proti trombóze?

Početný mezinárodní tým vedený kardiologem Tobiasem Petzoldem z mnichovské Ludwig-Maximilians-Universität nedávno přišel na kloub nevšední odolnosti hibernujících medvědů vůči tvorbě životu nebezpečných krevních sraženin – trombů. Výsledky jejich výzkumu zveřejnil vědecký časopis Science. Tromby vznikají při delší nečinnosti, kdy klesá intenzita oběhu krve cévami. Známé je toto riziko například při dlouhých cestách letadlem, kdy pasažéři sedí. Vznik trombů ale ohrožuje i pacienty dlouhodobě upoutané na lůžko nebo lidi, kteří se nemohou hýbat v důsledku tělesného postižení.

Vědci z Petzoldova týmu odebrali vzorky krve volně žijícím medvědům během zimního spánku a také na jaře, kdy se zvířata probrala k plné aktivitě. Hibernující medvědi dokázali snížit srážlivost své krve. Klíčovou roli při tom sehrává pokles hladiny proteinu označovaného jako HSP47. Tato bílkovina patří k tzv. proteinům tepelného šoku a v organismu reguluje imunitní reakce. S poklesem hladin HSP47 dochází v organismu k tlumení zánětlivých reakcí, které za normálních okolností vyvolávají srážení krve.

Kupodivu stejným mechanismem se vzniku nebezpečných krevních sraženin brání i lidský organismus. Petzold a spol. to prokázali analýzami vzorků krve pacientů, kteří se dlouhodobě nemohou pohybovat v důsledku poranění míchy. Také u těch dochází k poklesu hladin proteinu HSP47 v těle a ke snížení srážlivosti krve. Při krátkodobém onemocnění, kdy jsme upoutáni na lůžko jen několik dní, se efekt HSP47 neprojeví, protože nad jeho účinky převládnou následky silných zánětlivých reakcí. „Bude zajímavé zjistit, zda se vyplatí potlačit srážení krve i u pacientů, kteří jsou upoutáni na lůžko po kratší dobu,“ podotýká Petzold. „Pro farmakology je to určitě zajímavé téma.“

Huňáči a atrofie svalů

Nečinnost tvrdě dopadá na lidské svaly. S jejich ochablostí se potýkají nejen pacienti dlouhodobě upoutaní na lůžko, ale třeba i lidé, kteří měli několik týdnů ruku či nohu v sádře. Medvědi jsou po probuzení ze zimního spánku plně akceschopní. Zpočátku se možná pohybují trochu pomaleji, ale to se rychle spraví. Odolností medvědích svalů vůči atrofii se zabývá tým vedený Michaelem Gotthardtem z berlínského Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin. 

Ve studii publikované vědeckým časopisem Scientific Reports vědci zkoumali vzorky svalů odebrané medvědům během hibernace i v období plné aktivity. Pomocí nejmodernějších technik zjišťovali, které geny ve svalových buňkách pracují a jaké proteiny jsou ve svalech syntetizovány nebo jsou z nich naopak odstraňovány.

Práci Gotthardtova týmu komplikovala skutečnost, že vědci neznají celý medvědí genom, a stejně tak nemají k dispozici důkladnější informace o kompletním spektru medvědích bílkovin, tzv. proteomu. Přesto došli k zajímavým zjištěním. Ve svalech hibernujících medvědů odhalili bílkoviny, jež razantně zasahují do metabolismu aminokyselin. Svalovým buňkám tak zajišťují vyšší množství některých tzv. neesenciálních aminokyselin, tedy aminokyselin, které organismus nemusí přijímat s potravou, protože si je dokáže vyrobit sám. Patří k nim např. aminokyseliny alanin, asparagin či serin.

To bylo pro vědce překvapení, protože dřívější pokusy o posílení růstu svalů podáváním neesenciálních aminokyselin v tabletách nemělo výraznější účinek. Snahy léčit tak svalovou atrofii seniorů nebo pacientů dlouhodobě upoutaných na lůžko opakovaně selhávaly.

Ve fázi výzkumu

Podle Gotthardta je důležité, aby si sval tyto aminokyseliny vyráběl sám, protože tak se spolehlivě dostanou na místo, kde jich je nejvíc zapotřebí. Pokud se ale dostávají do organismus s potravou přes trávicí trakt, nemusejí do svalu vůbec proniknout, nebo se tam dostanou v nedostatečném množství. Při léčbě a prevenci svalové atrofie by se proto měli lékaři zaměřit na aktivaci metabolických procesů, které zvýší produkci neesenciálních aminokyselin přímo svalovými buňkami pacientů.

Gotthardtův tým se pokusil vytipovat geny, jež v tom hrají zásadní roli. Patří k nim geny Pdk4 a Serpinf1, které se podílejí na metabolismu glukózy a aminokyselin, a také gen Rora, jenž sehrává významnou úlohu při řízení chodu vnitřních biologických hodin. Jak sám Gotthardt upozorňuje, neznamená to, že vědci našli klíč k léčbě svalové atrofie.

„Pro léčbu se hodí pouze ty zásahy do organismu, jejichž vedlejší účinky jsou velmi slabé nebo žádné,“ připomíná Gotthardt a dodává, že k případnému účinnému léku vede cesta pouze přes dlouhou řadu ověřujících experimentů.

Naděje pro lidi s osteoporózou?

Podobně jako svaly postihuje nečinnost lidí také jejich kosti. Například astronautům pobývajícím delší dobu ve stavu beztíže hrozí řídnutí kostí čili osteoporóza. Hibernující medvěd ale úbytku kostní hmoty velmi úspěšně vzdoruje. Některé mechanismy skrývající se v pozadí této medvědí schopnosti odhalil tým biologa Vadima Fedorova z University of Alaska v americkém Fairbanksu.

Jejich studie publikovaná ve vědeckém časopise Journal of Experimental Biology naznačuje, že hibernující medvědi udrží v rovnováze dva protichůdné procesy, které v kosti neustále probíhají. Na jedné straně se kost neustále rozkládá a při tom se z kostí odstraňují zestárlé kostní buňky. Na druhé straně zároveň vznikají z kostní dřeně nové kostní buňky, jež nahrazují odbouranou kostní tkáň.

U člověka s postupujícím věkem nebo s klesající fyzickou zátěží slábne tvorba nové kostní tkáně a na převaze získává rozkladný proces. Kostní hmoty ubývá, protože chabý přísun nových kostních buněk nestačí nahradit její ztráty. Hibernující medvěd tvorbu nové kosti nezvyšuje. To by bylo příliš náročné na živiny a energii a těmi se snaží zimní spáč šetřit.

Blahodárné zpomalení

Hibernujícím medvědům ubude v krvi proteinů, zajišťujících rozklad kosti a odbourávání zestárlých buněk. Hladina vápníku, z něhož se tvoří kost, se v krvi zvířat upadajících do hibernace nezmění, a to znamená, že rozklad staré kosti a tvorba nové kostní hmoty jsou i během zimního spánku v rovnováze.

Medvědí proteiny regulující rozpad kosti patří do skupiny enzymů označovaných jako alkalické fosfatázy a mají svůj protějšek v lidském organismu. Zatím ale není jasné, jestli se v budoucnu podaří léčit osteoporózu lidí preparáty, které by potlačily aktivitu „kostních“ alkalických fosfatáz a napodobily tak medvědí odolnost k řídnutí kostí. Tyto enzymy totiž nejsou jedinými proteiny podílejícími se na stabilizaci kostry hibernujících medvědů.

Hladina jedné z bílkovin potlačujících rozklad kostí roste u hibernujících medvědů na patnáctinásobek hodnot, jež jsou běžné u plně aktivních šelem. Kostru tak hibernujícímu medvědovi chrání větší počet bílkovinných molekul, jež působí ve vzájemné souhře. Pro farmakology nebude jednoduché tuto souhru imitovat pomocí jednoho jediného léku.