A bálnák új kezelési módszereket inspirálhatnak a stroke és a rák elleni küzdelemben

A Cuvier bálnák (Ziphius cavirostris) tartják a legmélyebb merülés rekordját a tengeri emlősök között, és a kutatók remélik, hogy ha megvizsgálják, hogyan kezelik ezek az állatok oxigénellátásukat több ezer méter mélyen a víz alatt, egy napon olyan gyógyszerek születhetnek, amelyek segítenek az embereknek.

A bálnák megfigyelése soha nem garantált, és a Cuvier bálnák különösen nehezen észrevehetők, mert idejük 90 százalékát a víz alatt töltik. Észak-Karolina partjainál végzett expedícióik során néha olyan közel tudnak hajózni az állatokhoz, hogy szövetmintákat vehetnek.

A korábban Cuvier-csőrű bálnák néven ismert libacsőrű bálnák minden más ismert emlősnél mélyebbre merülnek, és a világ legtöbb óceánjában megtalálhatók. Ezek a rejtőzködő állatok rendszeresen 3300 láb mélyre merülnek, és 20-40 percig folyamatosan vadásznak. A legmélyebb merülésük 9816 láb mélységbe történt, a leghosszabb merülésük pedig 222 percig tartott. Összehasonlításképpen: a kék bálnák csak körülbelül 1640 láb mélyre merülnek, merüléseik 10-20 percig tartanak, míg a legjobb búvárok 831 láb mélyre merülnek és 25 percig maradnak a víz alatt.

Az ilyen lenyűgöző merülések eléréséhez a Cuvier bálnák teste alkalmazkodott az oxigénhiányhoz, amely könnyen halálos lehet az ember számára. Wisse expedíciói egy Duke-projekt részét képezik, amelynek célja megérteni a mélytengeri alkalmazkodást a cetféléknél, azaz a bálnák és a palackorrú delfinek csoportjánál. A hipoxia szerepet játszik a stroke-tól a rákig terjedő egészségügyi állapotokban, és a kutatók végső célja, hogy a tengeri emlősökön végzett kutatások eredményeit felhasználva olyan kezelési módszereket fejlesszenek ki, amelyek egy napon az embereknek is segíthetnek.

A Duke-projekt egyike a világszerte számos kutatási kezdeményezésnek, amely a bálnákat használja modellként az emberi betegségek megértéséhez. A mélytengeri állatok alacsony oxigénszinttel való megbirkózásáról szóló ismereteink nagy része a partra vetett bálnákból és fókákból származik, amelyek több időt töltenek a felszínen, kisebbek és könnyebben tanulmányozhatók. A Duke-i csapat azonban élő bálnákból és delfinekből, különösen olyan extrém merülőkből, mint a Cuvier bálnák, vesz mintákat, hogy kiderítse, mi történik a sejtjeikben, ami lehetővé teszi számukra, hogy alacsony oxigénszintű környezetben is túléljenek.

A projekt még folyamatban van, de már vannak első eredmények az északnyugat-atlanti élő és partra vetődött bálnák bőrmintáiból. Alacsony oxigénszint mellett is a bálnák bőrének sejtjei nagy mennyiségű oxigént fogyasztanak, míg a delfinek, tehenek és emberek bőrének sejtjei oxigénhiány esetén csökkentik oxigénfogyasztásukat.

Az emberekhez képest a Cuvier bálnák génjei is eltérnek abban, hogy szabályozzák a sejtek energiaellátásáért felelős mitokondriumok működését. Mindez azt jelenti, hogy a bálnák genetikailag kódolt alkalmazkodási képességekkel rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy oxigénszegény környezetben is folytassák az energia termelést, míg az emberek – és valószínűleg más szárazföldi emlősök – nem rendelkeznek ilyen alkalmazkodási képességekkel.

A bálnák sejtjeinek alkalmazkodási képességeiről szóló eredmények alátámasztják a kutatók korábbi ismereteit a bálnák mélymerülések során az oxigénfelvételhez szükséges fiziológiai alkalmazkodásáról – mondja Wisse.

Több vér és lassabb anyagcsere

A fókák és elhullott bálnák vizsgálata már korábban is feltárta az állatok testének működésében bekövetkezett változásokat.

A fókák vérmennyisége körülbelül kétszerese az emberének, és sokkal több hemoglobint tartalmaz, mint mi – mondja Lars Folkow, a Norvég Arktisz Egyetem állatfiziológusa. „Például az olimpián minden doppingteszten lebuknának” – nevet Folkow, aki a merülő fajok hipoxia elleni védelmi mechanizmusait kutatja.

A nagyobb vérmennyiség azt jelenti, hogy az állatoknak több hemoglobinjuk is van, amely a vérben kötődik az oxigénhez, és szállítja azt a többi szervhez. Ez azt jelenti, hogy a fókák és más búvár emlősök nagyon nagy oxigéntároló kapacitással rendelkeznek. Olyan alacsony vér oxigéntartalommal tudnak feljönni a felszínre, hogy mi emberek eszméletünket vesztenénk, ha velük történne – mondja Folkow.

A partra vetett bálnák becslései szerint a vér a testtömegük 20 százalékát teszi ki, míg az embereknél ez az arány csak 7-8 százalék. A bálnák nagy mennyiségben tartalmaznak mioglobint, az izmokban található oxigént szállító fehérjét, amely segít nekik hosszú ideig nagy mélységben maradni.

Korábbi kutatások azt is kimutatták, hogy a bálnák drámaian lelassíthatják anyagcseréjüket, amikor hosszabb ideig merülnek. Normális pulzusszámuk, amely a felszínen 30-40 ütés/perc, mély merülések során 10 ütés/perc alá csökken. A pulzusszám csökkenése csökkenti a véráramlást és az oxigénellátást a nem kritikus területeken, mint az emésztőrendszer, a vesék és az izmok. „Búvárkodás közben nincs szükség a vesék teljes sebességgel való működésére vagy az utolsó étkezés emésztésére” – magyarázza Folkow.

Ehelyett az állatok szelektíven több vért és oxigént juttatnak a kritikus szervekhez, például az agyhoz.

Az agy nagyítása

Az agy rendkívül érzékeny az oxigénhiányra az emlősöknél, ezért Wisse csoportja partra vetett Cuvier bálnák agymintáinak vizsgálatával próbálja megérteni, hogyan működnek az agyuk neuronjai oxigénhiány esetén.

Folkow csapata ezt a kérdést fókák és más bálnák esetében vizsgálta, a neuroglobin nevű agyi fehérje segítségével, amely a hemoglobinhoz és a mioglobinhoz hasonlóan oxigént szállít.

Elhullott állatok agyszöveteit felhasználva Folkow csoportja megmérte, hogy a neuroglobin fehérjét előállító gének milyen aktívak, és megállapította, hogy a bálnákban a génaktivitás négy-tizenöt alkalommal magasabb, mint a nem búvárkodó emlős rokonoknál, a szarvasmarhaféléknél. A fókákon azonban a génaktivitás nem volt ennyire magas, ami meglepte a kutatócsoportot. Folkow szerint ez a bálnák és fókákon végbement divergens evolúcióra vezethető vissza, amelynek során két rokon faj függetlenül egymástól különböző stratégiákat fejleszt ki ugyanazon környezeti kihívások leküzdésére.

Az oxigénhez való kötődés mellett a neuroglobin megakadályozza az oxidatív stresszt is, amely károsíthatja a sejteket. Folkow szerint a neuroglobin mindkét funkciója segíthet a bálnáknak, és nehéz lenne egyikre szűkíteni a kört anélkül, hogy élő agyszöveteken végeznének kísérleteket, amelyekhez szinte lehetetlen hozzáférni - írja a NationalGeographic.

Mit jelent ez az emberi orvostudomány számára?

A kísérleti kihívások ellenére a tengeri emlősök kutatói remélik, hogy a hipoxiával kapcsolatos munkájuk segíthet az embereknek olyan egészségügyi problémák leküzdésében, amelyeknél az oxigén tényező, mint például a stroke, a hosszan tartó altatás, a COVID-19 és a rák.

„Az egyik dolog, ami érdekel minket, hogy a tengeri emlősök hogyan kezelik a gyulladásokat, amikor ilyen extrém mélységekbe merülnek” – mondja Jason Somarelli, a Duke Egyetem onkológusa és a bálnaprojekt egyik vezetője.

Az embereknél az alacsony oxigénszint általában gyulladással jár, ami végül szöveti károsodáshoz vagy halálhoz vezet. A mélytengeri emlősök azonban kifinomult módszereket fejlesztettek ki a gyulladásos reakciók gondos szabályozására és kezelésére, többek között természetes gyulladáscsökkentő anyagokat hordoznak a vérükben.

A tudósok még mindig azon dolgoznak, hogy teljes mértékben megértsék, hogyan működnek pontosan ezek a védelmi mechanizmusok, de Somarelli gyanítja, hogy a tengeri emlősöknek el kellett választaniuk oxigénérzékelő reakciójukat a gyulladásos reakciótól. Ha ez igaz, akkor annak kiderítése, hogy az állatok hogyan érik el ezt a bravúrt, segíthet azonosítani azokat a molekulákat, amelyekhez egy gyógyszer kötődhet, és elválaszthatja ezeket a jeleket az emberben – mondja Somarelli.

Jelenleg a bálnák biológiájából ihletett gyógyszerek csak hipotetikusak. De nem csak a hipoxia kutatói érdeklődnek irántuk. Más laboratóriumok a grönlandi bálnák öregedéssel kapcsolatos betegségekkel, például rákkal szembeni ellenálló képességét és kivételes hosszú élettartamát tanulmányozzák. Rendkívül hatékony DNS-javító rendszereik felhasználhatók lehetnek emberi betegségek kezelésére. A tudósok a demenciához hasonló agyi változásokat is tanulmányozzák a fogazott bálnák esetében, hogy jobban megértsék az Alzheimer-kórt.