Starea de toropeală indusă prin ultrasunete, mai aproape de utilizarea medicală în lumea reală (studiu pe rozătoare)

Toropeala sau inactivitatea este o stare fiziologică caracterizată prin scăderea activă a temperaturii corporale, reducerea metabolismului și încetinirea funcțiilor vitale, fiind esențială pentru supraviețuirea în condiții extreme. Studiul publicat în jurnalul Nature Metabolism demonstrează, pentru prima dată, că ultrasunetele transcraniene pot induce în mod noninvaziv și controlat o stare de toropeală la șoareci, cu potențial de aplicare în medicină și zboruri spațiale umane.

Context științific

Încercările anterioare de a reproduce starea de toropeală artificial s-au bazat pe substanțe sistemice sau manipulări genetice complexe ale unor populații neuronale din hipotalamus. Aceste metode sunt invazive și greu de translatat la oameni. Ultrasunetele oferă o cale neinvazivă, sigură și precisă de neuromodulare, dar până acum nu s-a demonstrat capacitatea lor de a induce stări de toropeală complete.

Despre studiu

Design experimental

Cercetătorii au utilizat un transductor portabil de ultrasunete focalizat pe regiunea preoptică anterioară (POA) a hipotalamusului la șoareci liberi. Parametrii stimularii au fost calibrați pentru a evita efectele termice nespecifice, obținând o inducere fiabilă a unei stări de hipotermie și hipometabolism asemănătoare stării de toropeală.

Caracteristicile fiziologice observate

• Scădere medie a temperaturii centrale: −3,26 °C
• Reducere a consumului de oxigen: −36,6%
• Scădere a ritmului cardiac: −47,3%
• Schimbare a metabolismului energetic către oxidarea lipidelor (RQ ≈ 0,7)
• Activitate locomotorie redusă și revenire spontană la normal

Controlul precis al stării UIH (hipotermie și hipometabolism induse de ultrasunete)

Folosind un sistem cu feedback în buclă închisă, cercetătorii au menținut temperatura corporală sub 34 °C timp de peste 24 de ore. Acest control a fost realizat prin activarea automată a ultrasunetelor în funcție de semnalele primite de la un senzor implantabil de temperatură.

Mecanism neuronal și molecular

Activarea neuronilor din POA

Stimularea cu ultrasunete a activat neuronii toropelii din POA, evidențiată prin creșterea expresiei markerului Fos și activitate crescută în înregistrările cu fiber photometry.

Rolul canalului ionic TRPM2

TRPM2 a fost identificat ca principal canal ionic activat de ultrasunete în neuronii POA implicați în UIH. Acest canal este sensibil atât la temperatură, cât și la stimuli mecanici. Inhibarea genetică (shRNA) a TRPM2 a redus semnificativ răspunsul la ultrasunete, confirmând rolul său esențial.

Circuit neuronal și țesuturi efectoare

• Hipotalamusul dorsomedial (DMH) a fost activat în timpul UIH, indicând o proiecție funcțională de la POA.
• Țesutul adipos brun (BAT), implicat în termogeneză, a fost identificat ca principal țesut efector. În șoarecii UCP1-KO (fără termogeneză în BAT), efectele UIH au fost semnificativ reduse.

Translabilitate și experiment la animale care nu intră natural în starea de toropeală

Studiul a testat eficiența UIH și pe șobolani, care nu intră natural în starea de toropeală. Deși reducerea temperaturii a fost mai mică (−1,33 °C), efectul a fost semnificativ, sugerând posibilitatea extrapolării UIH la specii non-hibernante, inclusiv la om.

Concluzii

Hipotermia și hipometabolismul induse de ultrasunete reprezintă o metodă noninvazivă, sigură și reversibilă de inducere a unei stări asemănătoare stării de toropeală, cu aplicații potențiale în:

• tratamentul medical al leziunilor ischemice (infarct, AVC);
• medicina de urgență și terapie intensivă;
• explorarea spațială de durată lungă.

Inducerea stării de toropeală prin ultrasunete deschide noi direcții de cercetare în neuromodulare, fiziologie integrativă și terapie translatională.