Низкий уровень кислорода делает красные кровяные клетки поглотителями глюкозы

Фото из открытых источников

Учёным давно известно, что у людей, живущих на больших высотах, где уровень кислорода низок, диабет встречается реже, чем у людей, живущих ближе к уровню моря. Однако механизм этой защиты оставался загадкой.

Теперь исследователи из Института Гладстона объяснили причины этого явления, обнаружив, что эритроциты действуют как «губки» для глюкозы в условиях низкого содержания кислорода, подобных тем, которые наблюдаются на самых высоких вершинах мира.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Cell Metabolism, команда показала, как эритроциты могут изменять свой метаболизм, чтобы поглощать сахар из крови. На большой высоте эта адаптация повышает способность клеток более эффективно доставлять кислород к тканям по всему организму, а также имеет полезный побочный эффект в виде снижения уровня сахара в крови.

Полученные результаты разрешают давнюю загадку в физиологии, говорит соавтор исследования Иша Джайн из Гладстона.

«Красные кровяные клетки представляют собой скрытый компонент метаболизма глюкозы, который до сих пор не был оценен по достоинству. Это открытие может открыть совершенно новые возможности для контроля уровня сахара в крови», - объясняет профессор Иша Джайн из Калифорнийского университета в Сан-Франциско.

Джайн годами изучала, как низкий уровень кислорода в крови, называемый гипоксией, влияет на здоровье и метаболизм. В ходе предыдущего исследования ее команда заметила, что у мышей, дышащих воздухом с низким содержанием кислорода, уровень глюкозы в крови был значительно ниже нормы. Это означало, что животные быстро расходовали глюкозу после еды — признак снижения риска диабета. Но когда исследователи использовали методы визуализации для отслеживания перемещения глюкозы, основные органы не могли это объяснить.

«Когда мы давали мышам сахар в условиях гипоксии, он почти мгновенно исчезал из их крови», — говорит соавтор исследования Йоланда Марти-Матеос. «Мы исследовали мышцы, мозг, печень — все обычные органы, — но ничто в этих органах не могло объяснить происходящее».

Используя другой метод визуализации, команда обнаружила, что эритроциты являются недостающим «поглотителем глюкозы» — термином, используемым для описания всего, что втягивает и использует большое количество глюкозы из кровотока. Эти клетки, долгое время считавшиеся метаболически простыми, казались маловероятными кандидатами.

Однако дальнейшие эксперименты на мышах подтвердили, что эритроциты действительно поглощали глюкозу. В условиях низкого содержания кислорода мыши не только производили значительно больше эритроцитов, но и каждая клетка поглощала больше глюкозы, чем эритроциты, производимые в условиях нормального содержания кислорода.

Чтобы понять молекулярные механизмы этого наблюдения, команда Джайна сотрудничала с Анджело Д'Алессандро, доктором философии, из медицинского кампуса Аншутц Университета Колорадо, и Алланом Доктором, доктором медицины, из Университета Мэриленда, который долгое время изучал функцию эритроцитов.

Исследователи показали, как в условиях низкого содержания кислорода эритроциты используют глюкозу для производства молекулы, которая помогает клеткам высвобождать кислород в ткани — вещество, необходимое в избытке при недостатке кислорода.

«Больше всего меня удивила величина эффекта, — говорит Д'Алессандро. — Красные кровяные клетки обычно считаются пассивными переносчиками кислорода. Тем не менее, мы обнаружили, что они могут составлять значительную часть общего потребления глюкозы организмом, особенно в условиях гипоксии».

Ученые также показали, что положительный эффект хронической гипоксии сохранялся в течение нескольких недель и месяцев после того, как у мышей возвращался нормальный уровень кислорода.

Они также протестировали препарат, недавно разработанный в лаборатории Джайна для имитации воздействия воздуха с низким содержанием кислорода. Новый препарат — это таблетка, которая действует за счет того, что гемоглобин в красных кровяных клетках более прочно связывает кислород, препятствуя его попаданию в ткани. Препарат полностью обратил вспять высокий уровень сахара в крови у мышей с диабетом, показав даже лучшие результаты, чем существующие лекарства.

«Это одно из первых применений препарата за пределами митохондриальных заболеваний, — говорит Джайн. — Оно открывает возможности для принципиально иного подхода к лечению диабета — путем привлечения эритроцитов в качестве поглотителей глюкозы».

Как отмечает Д'Алессандро, полученные результаты могут выходить за рамки диабета и касаться физиологии физических упражнений или патологической гипоксии после травматических повреждений, поскольку травмы остаются одной из ведущих причин смертности среди молодых людей, а изменения уровня эритроцитов и метаболизма могут влиять на доступность глюкозы и работоспособность мышц.

«Это только начало, — говорит Джайн. — Ещё многое предстоит узнать о том, как весь организм адаптируется к изменениям уровня кислорода и как мы могли бы использовать эти механизмы для лечения целого ряда заболеваний».