Que peut faire l'hibernation pour les humains?

Survivre aux traumatismes massifs, perdre du poids pendant le sommeil, maintenir la force musculaire dans l'espace - tout cela grâce aux astuces des écureuils endormis.

Nous dormons pendant que les ours et les écureuils hibernent - mais nous pouvons leur voler leurs artifices physiologiques. Illustration de Graham Roumieu

Pour Matt Andrews, un moyen d'améliorer la santé humaine commence à l'intérieur d'un minuscule animal endormi. Andrews est un biologiste moléculaire qui s’intéresse à la façon dont les animaux hibernent dans les années 1990, lorsque la technologie de séquençage de gènes a commencé à permettre aux chercheurs de comprendre plus en profondeur comment les animaux ont survécu à de longs hivers froids en animation suspendue.

Il pense désormais que la science de l'hibernation pourrait être une solution à certains problèmes de santé humaine persistants, notamment les accidents vasculaires cérébraux, l'obésité, les crises cardiaques et même la perte musculaire qui affecte les astronautes vivant en apesanteur. C’est parce que les créatures en hibernation, comme l’écureuil terrestre à treize lignes qu’il étudie, savent cesser de manger au moment opportun, survivre à l’hiver en déplaçant les dépôts graisseux autour de leur corps pendant leur sommeil et gérer le manque d’oxygène dans le sang qui tuerait la plupart des mammifères. Après tout cela, ils sortent des limbes au printemps et parviennent immédiatement à échapper aux prédateurs.

En prenant les conseils des hibernateurs, Andrews et ses collègues espèrent changer le pronostic du choc hémorragique, qui survient lorsque le corps commence à se fermer suite à une perte de sang massive. Il y a dix ans, il a fait équipe avec Greg Beilman, un chirurgien traumatologue qui était réserviste militaire depuis 25 ans. «J’ai effectué plusieurs déploiements à l’étranger et j’avais donc un vif intérêt pour pouvoir mieux prendre soin de nos enfants qui se portent volontaires pour servir à l’étranger», déclare Beilman, qui est maintenant chirurgienne et chercheuse à l’Université du Minnesota. «J’ai vu des gens qui ont été complètement saignés avant de se rendre à l’hôpital. Et j’ai vu beaucoup de gens qui souffrent des effets secondaires du retard qu’ils ont à se rendre dans un endroit où ils peuvent arrêter le saignement. "

Sauver la vie d’un soldat qui saigne abondamment devient une course contre la montre - après la prétendue «heure dorée» qui a suivi la blessure, les chances de survie du blessé diminuent précipitamment. Andrews soupçonnait que des traitements basés sur la biologie de l'hibernation pourraient permettre aux médecins de prolonger cette heure d'or, en faisant gagner du temps avant que les tissus et les cellules cérébrales d'une personne ne commencent à mourir en raison du manque d'oxygène et d'autres composants essentiels du sang.

«Les hibernateurs survivent à des extrêmes de faible débit sanguin et de faible apport en oxygène dans les tissus sanguins», déclare Andrews. Ils peuvent réduire leur taux métabolique, ce qui protège le cœur. Il a remarqué que les écureuils terrestres à treize lignées (également connus sous le nom de gophers à rayures) produisent des niveaux plus élevés d'un composé naturel appelé D-beta hydroxybutyrate (BHB) pendant l'hibernation et ont également des niveaux accrus de mélatonine pendant les brefs réveils en milieu d'hibernation. Les deux composés, a-t-il réalisé, jouent un rôle important en permettant au flux sanguin et au métabolisme de l'écureuil de refluer naturellement sans nuire aux organes.

La formule pourrait être utilisée non seulement sur le champ de bataille, mais également pour les victimes d'accidents de la route ou d'autres traumatismes afin de les aider à garder leurs organes en vie.

Ces composés aideraient-ils également les organes et les tissus à survivre au choc hémorragique? Andrews, Beilman et un autre collègue ont découvert que les injections de ce mélange, administrées à des animaux présentant une perte de sang importante, les aidaient à survivre près de quatre fois plus longtemps. Ils ont breveté leur formule, le bêta-hydroxybutyrate et la mélatonine - communément appelés BHB / M - en 2007.

L’année prochaine, l’équipe projette de lancer un essai chez l’homme - au début, simplement chez des volontaires en bonne santé afin de s’assurer de la sécurité du composé. Finalement, Beilman imagine que BHB / M pourrait être utilisé non seulement sur le champ de bataille, mais également pour les victimes d'accidents de la route ou d'autres traumatismes afin de maintenir leurs organes en vie jusqu'à leur arrivée à l'hôpital.

Des animaux froids aux corps chauds

Pour les écureuils terrestres à treize lignes qui vivent dans les pâturages et les prairies nord-américains, la chute est une période occupée. Les créatures d'une demi-livre se préparent en prévision des mois les plus froids. Un écureuil hiverne dans un terrier souterrain, se recroquevillant en boule et la température de son corps se situe juste au-dessus de zéro. Son cœur passe de 300 battements par minute à 3 à 10 battements par minute. Au cours de ces mois, il perdra un tiers de son poids.

Et pourtant, dès le dégel, ces rongeurs semblent sortir miraculeusement de leur stupeur, immédiatement capables d'éviter les griffes et le bec de hiboux et d'aigles. Le mystère de savoir comment eux-mêmes et d'autres créatures comme les chauves-souris, les serpents, les grenouilles et les vers sont capables de le faire fascine des scientifiques comme Andrews depuis le début du 19ème siècle.

Andrews explore toujours la biologie fondamentale de ces animaux, mais il a également été prompte à comprendre les applications médicales de ce qu'il apprend. Andrews a déménagé son laboratoire à l'Oregon State University en 2016, en faisant équipe avec Adam Higgins, un ingénieur en bioingénierie spécialisé dans le refroidissement des cellules et des tissus. Higgins en savait un peu sur le fonctionnement de la biologie par temps froid et sur la transplantation d’organes, mais il ne savait pas ce qu’Andrews savait sur les stratégies surprenantes des animaux en hibernation.

Ils ont tous deux réalisé que la biologie de l'hibernation pouvait également être utilisée pour réduire le nombre de personnes qui meurent chaque année en attendant une greffe d'organe. En avril 2018, il y avait plus de 114 000 candidats à la transplantation sur la liste d'attente nationale américaine, mais seulement 34 800 transplantations ont été effectuées en 2017.

L’un des problèmes est que beaucoup de ces précieux organes ne durent pas très longtemps. Les reins vivants ont une durée de conservation de 24 à 36 heures, mais les cœurs et les poumons ne durent que quatre à six heures à l'extérieur du corps. De nombreux organes qui conviennent autrement meurent avant de pouvoir être transportés et transplantés chez un receveur.

Ces limitations signifient que, dans les dons non planifiés - par exemple, lorsqu'un rein ou un cœur deviennent disponibles après un accident de la route mortel - les médecins n'ont pas le temps d'amorcer le destinataire pour qu'il accepte cet organe. En conséquence, le destinataire peut être amené à prendre des médicaments immunosuppresseurs longtemps après.

L’animation suspendue semble également allonger la vie: les animaux qui hibernent vivent plus longtemps, en moyenne, que les espèces semblables qui n’hibernent pas.

Andrews et Higgins pensent qu’il est possible de prolonger la durée de conservation en pré-conditionnant les organes à l’intérieur du donneur avant la chirurgie. Cela pourrait ajouter une semaine ou plus de viabilité à un organe.

Pour l'instant, Andrews et Higgins expérimentent sur des rats en les traitant avec une version modifiée de la solution d'hibernation BHB / M. L'espoir est qu'il puisse changer le métabolisme de l'organe du donneur, le ralentissant et le protégeant des dommages.

La vision ultime est qu'une personne qui envisage de donner un organe (ou une personne qui est mort cérébrale et qui a déjà accepté de faire un don) peut être pré-conditionnée avec la solution, ce qui chez une souris dure environ une heure. «Maintenant, lorsque vous récolterez les organes, vous aurez une durée de conservation plus longue car vous les avez conservés tant qu'ils étaient encore chez le donneur», explique Andrews.

Une fois les organes retirés du corps du donneur, les chercheurs ont toujours besoin de meilleurs moyens pour les refroidir, les stocker et les réchauffer. Les stratégies d'hibernation peuvent également contribuer à améliorer les progrès dans ces domaines, déclare Andrews. L'équipe prévoit des expériences dans ces techniques avec des animaux plus gros comme les porcs.

Rester en forme en route vers Mars

La biologie de l'hibernation a des applications potentielles qui vont au-delà de la médecine pour la santé et le bien-être en général, explique Andrews. Pour faire face à l’hiver, les écureuils accumulent des réserves de graisse adipeuse brune, qu’il appelle la machine à brûler les graisses de la nature. Ce que nous pensons habituellement de la graisse est la graisse blanche, qui stocke les calories pour une utilisation ultérieure. La graisse brune, au lieu de cela, brûle les calories incroyablement vite pour générer de la chaleur.

Dans une étude réalisée en 2013, Andrews et ses collègues ont généré un transcriptome - une collection de tous les extraits de gènes dans un tissu - pour la graisse brune d'écureuil au cours d'une année.

Pendant l'hibernation, les animaux se réveillent tous les 10 jours environ et leur métabolisme intervient un moment avant de se rendormir. Ils utilisent la graisse brune pour se réchauffer après des températures proches du point de congélation. Andrews a constaté par le biais d'autres travaux sur l'expression des protéines que les animaux déplacent les réserves de graisse dans leur cœur et activent des gènes spéciaux pour rendre la graisse brûlable. «Ils modifient sélectivement la chimie de leur corps pour brûler les graisses au lieu du sucre», dit-il.

Les humains passent un tiers de leur vie dans un état semblable à celui de l'hibernation: dormir. Si nous pouvions acquérir la biologie des hibernants, prédit Andrews, nous pourrions prendre une pilule qui régénère la combustion des graisses avant le coucher et réveiller une livre plus légère.

Kelly Drew, biochimiste de l’University of Alaska Fairbanks, qui étudie les écureuils arctiques, affirme que les recherches d’Andrews ont été les premières à identifier un mécanisme moléculaire qui contribue au passage saisonnier du métabolisme des glucides au métabolisme des lipides en mode hibernation. «Il a utilisé ces connaissances pour mettre au point un traitement novateur et efficace contre le choc hémorragique», dit-elle. "Ses recherches innovantes montrent comment l'étude de l'hibernation peut mener à de nouvelles solutions pour la médecine humaine."

Si nous pouvions acquérir la biologie des hibernants, prédit Andrews, nous pourrions prendre une pilule qui régénère la combustion des graisses avant le coucher et réveiller une livre plus légère.

L’hibernation semble également protéger les muscles: bien qu’ils ne bougent plus du tout pendant cinq mois, les écureuils peuvent s’éloigner très rapidement après leur réveil. En revanche, les personnes au repos ou au cours d’un long voyage dans l’espace perdent tellement de force musculaire qu’elles peuvent avoir du mal à marcher après. Quelqu'un sur un voyage de 18 mois sur Mars arriverait avec une grave atrophie musculaire, a déclaré Andrews: "Vous seriez tous tremblants."

Pour les personnes qui ont du mal à dire non à une autre assiette de pâtes, même lorsqu'elles sont farcies, les écureuils en hibernation ont une autre astuce physiologique. Ils se gorgent de graines et de plantes à la fin de l'été, mais quand ils atteignent une certaine taille, ils s'arrêtent. "Ils disent:" Je suis rassasié, j'ai assez mangé ", et ils ne mangent plus," dit Andrews. "Quelque chose dans le cerveau impose ce signal de satiété." Décoder ce signal et l'appliquer à l'homme pourrait aider les gens à arrêter de manger lorsqu'ils sont pleins.

L’animation suspendue semble également allonger la vie: les animaux qui hibernent vivent plus longtemps, en moyenne, que les espèces semblables qui n’hibernent pas. Bien sûr, ils ne font pas face à beaucoup de prédateurs pendant leur long sommeil hivernal, ce qui aide. Mais les biologistes soupçonnent aussi une autre raison: l'hibernation ralentit le raccourcissement des télomères, les bouchons d'extrémités de chromosomes qui diminuent généralement avec l'âge. Se pourrait-il que l'hibernation elle-même ralentisse réellement le processus de vieillissement? C’est une question d’avenir, qui évoque une multitude de secrets dans cet acte apparemment simple de se pelotonner pour un long repos hivernal. Andrews, quant à lui, est optimiste: «Je pense que nous venons tout juste de nous intéresser de plus près à la façon dont les stratégies d'hibernation peuvent être appliquées aux personnes.»