Der Einsatz von Nicht-Modellorganismen in der medizinischen Forschung ist ein expandierendes Feld, das bereits erhebliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hatte. Informationen aus der Untersuchung der einzigartigen Eigenschaften von Säugetieren werden zur Entwicklung neuer Therapeutika genutzt. Die bemerkenswerte Fähigkeit von Säugetieren, Winterschlaf zu halten, bietet einzigartige physiologische und metabolische Vorteile, die derzeit aktiv für mögliche Anwendungen in der menschlichen Gesundheit auf der Erde erforscht werden. Diese Vorteile versprechen auch, viele der mit der Raumfahrt verbundenen physischen und psychischen Gesundheitsrisiken zu verringern.
Ein wesentliches Merkmal des Winterschlafs ist ein energiesparender Zustand namens Erstarrung, der eine aktive und oft tiefgreifende Verringerung der Stoffwechselrate im Vergleich zur Grundhomöostase mit sich bringt. Zu den weiteren potenziellen Vorteilen gehören die Aufrechterhaltung der Muskel- und Knochenstabilität trotz längerer Immobilisierung und der Schutz vor Strahlenschäden. Trotz dieses bemerkenswerten Potenzials existiert derzeit nicht die Weltrauminfrastruktur, die zur Untersuchung der Erstarrung von Labornagetieren erforderlich ist, und der Winterschlaf in der Schwerelosigkeit wurde noch nie untersucht. Dies ist eine große Lücke im Verständnis des Winterschlafs und seiner möglichen Anwendungen für die bemannte Raumfahrt.
Die STASH-Anlage wird außerdem über Tierkammern verfügen, die so groß sind, dass sie eine Vielzahl von überwinternden und nicht überwinternden Tierarten aufnehmen können, was ihre Anwendbarkeit für eine Vielzahl von Studien auf der ISS erhöht, indem sie physiologische Messungen in Echtzeit ermöglicht. Die STASH-Anlage wird in Zusammenarbeit mit BioServe Space Technologies für die Integration in das Space Automated Biological Laboratory (SABL) entwickelt. Dies wird praktische Anwendungen dieser Forschung ermöglichen und unser Verständnis sowohl des Winterschlafs als auch der Physiologie von Säugetieren im Weltraum verbessern.
Die kurzfristigen Ziele des STASH-Projekts sind neue Forschungen zur Grundlagenwissenschaft des Winterschlafs in der Schwerelosigkeit und legen den Grundstein für dessen potenzielle Vorteile für die menschliche Gesundheit. Dazu gehört die Feststellung, ob der Winterschlaf den erwarteten Schutz vor dem Verlust der normalen Knochen- und Muskelfunktion bietet. Die mittelfristigen Ziele des Projekts sind die Entwicklung translationaler Anwendungen der Winterschlafforschung. Dazu gehört die Verwendung von STASH sowohl zum Testen bioaktiver Moleküle, die Transkriptionssignaturen des Winterschlafs nachahmen, als auch zur Bewertung synthetischer Torpor-Induktionsmethoden auf ihre Fähigkeit, einen ähnlichen Schutz zu bieten.
Als langfristiges Ziel während einer bemannten Mission zum Mars könnte synthetische menschliche Erstarrung als geeignete Gegenmaßnahme dienen, die alles in der Weltraumforschung verändern und alle Gefahren abschwächen oder beseitigen würde, die im RIDGE-Akronym der NASA für die Gefahren der Raumfahrt enthalten sind: kosmische Strahlung , Isolation und Schlussfolgerung, Entfernung von der Erde, Gravitationsfelder und feindliche/geschlossene Umgebungen.
Torpor ist ein Zustand kurzfristiger Erstarrung, der mit einer Verlangsamung des Pulses, der Atmung und einer Abnahme der Körpertemperatur einhergeht, wobei der Übergang und das Erwachen recht schnell erfolgt. Wenn Sie die Tiere vorsichtig hochheben, kann es sein, dass sie nicht aufwachen. Viele Begriffe im Zusammenhang mit Zuständen langsamen Stoffwechsels – suspendierte Animation, Erstarrung, Winterschlaf, Winterschlaf, Erstarrung, Diapause, Stupor – können in zwei große Kategorien unterteilt werden: suspendierte Animation und Hypobiose.
Das Wort „Anabiose“ bedeutet „Rückkehr zum Leben“ und ist die stärkste Stoffwechselverlangsamung, zu der ein lebender Organismus fähig ist. Die besten Arten, um ungünstige Bedingungen zu überleben, die für andere Organismen tödlich sind, sind Bakteriensporen und Protozoenzysten sowie Bärtierchen, die für ihre erstaunliche Vitalität bekannt sind. In einem Zustand schwebender Lebhaftigkeit sind diese winzigen Organismen in der Lage, extremer Abkühlung auf -217 Grad Celsius, mehrstündigem Kochen, Bestrahlung und sogar der Exposition gegenüber dem Weltraum standzuhalten.
Für komplexere Organismen ist ein solcher „vollständiger Stopp“ des Stoffwechsels unmöglich, in der Natur gibt es jedoch viele Variationen seiner Verlangsamung. Eine davon, Erstarrung, tritt bei poikilothermen (kaltblütigen, keine konstante Körpertemperatur aufrechterhaltenden) Tieren auf – Reptilien, Amphibien, Fische, Insekten. Während der Winterstarre kann ihre Körpertemperatur unter Null sinken. Tiere, die sich darauf vorbereiten, bis auf die Knochen zu erfrieren, reichern in ihren Zellen kryoprotektive Substanzen wie Glycerin oder Saccharose an, um sie vor Schäden durch Eiskristalle zu schützen.
Eine besondere Art der Erstarrung, die für Insekten ausführlich beschrieben wird – die Diapause – kann in jedem Stadium der Organismusentwicklung (Ontogenese) auftreten, während die Entwicklung stoppt und auf bessere Zeiten verschoben wird. Diese und andere Formen eingeschränkter funktioneller Aktivität, wie z. B. Winterschlaf oder Unterkühlung, werden zusammenfassend als Hypobiose bezeichnet. Es kann entweder natürlich sein – in Form eines adaptiven Mechanismus, der es dem Körper ermöglicht, sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen – oder künstlich.
Homöotherme – warmblütige – Tiere halten Winterschlaf, um ungünstige Bedingungen abzuwarten. Der Winterschlaf (Winterschlaf) hilft, die Kälte und den Nahrungsmangel abzuwarten, und der Sommerschlaf (Estivation) hilft, die Hitze und die Dürre abzuwarten. Durch den Winterschlaf verlieren homöotherme Tiere tatsächlich die Fähigkeit, die Körpertemperatur für eine Weile aufrechtzuerhalten, weshalb sie auch heterotherme Tiere genannt werden, weil sie manchmal warmblütig sind und manchmal nicht.
Während des Winterschlafs verlangsamen sich Atmung, Herzschlag und Nervenaktivität und die Körpertemperatur sinkt. Einige Nagetiere, Insektenfresser, Fledermäuse, Bären und sogar Vögel halten Winterschlaf. Man ging davon aus, dass Primaten keinen Winterschlaf halten, bis 2004 entdeckt wurde, dass der Fettschwanzmaki (Cheirogaleus medius) sieben Monate im Jahr versteckt in einer Mulde Winterschlaf verbringt, um die heiße Jahreszeit auf Madagaskar zu überleben.