Mały narząd o wielkim wpływie na oddychanie
W Unii Europejskiej co roku na choroby układu oddechowego umiera ponad 340 000 osób, co stanowi około 7,5 % wszystkich zgonów. Zespół finansowanego ze środków UE projektu OxygenSensing planował przyjrzeć się bliżej molekularnym mechanizmom, dzięki którym organizm wykrywa poziom tlenu we krwi i odpowiednio na niego reaguje. Organizm człowieka wykształcił mechanizmy adaptacyjne umożliwiające walkę z niskim wysyceniem krwi tlenem, czyli stanem nazywanym hipoksją. Mogą to być szybkie reakcje na ostry niedobór tlenu, na przykład hiperwentylacja w czasie wysiłku fizycznego, lub długotrwałe zmiany, takie jak zwiększenie liczby czerwonych krwinek w odpowiedzi na przewlekle niski poziom tlenu we krwi wywołany chorobą płuc lub życiem na dużych wysokościach. Nagłe zmiany saturacji krwi tlenem są wykrywane przez kłębek szyjny – mały narząd znajdujący się w pobliżu tętnic po obu stronach szyi. „Jest on bezpośrednio połączony z ośrodkiem oddechowym w mózgu. Gdy poziom tlenu spada, powoduje zwiększenie częstości oddechów i rzutu serca”, wyjaśnia José López-Barneo, koordynator projektu i kierownik laboratorium na hiszpańskim Uniwersytecie w Sewilli, które od 35 lat zajmuje się badaniami nad kłębkiem szyjnym. Jak twierdzi López-Barneo, dotychczas nie byliśmy w stanie znaleźć odpowiedzi na podstawowe pytanie: jak komórki kłębka szyjnego wykrywają zmiany poziomu tlenu we krwi.
Sensor chemiczny
Zespół projektu przyjrzał się komórkom kłębkowym – chemoreceptorom występującym w kłębku szyjnym. Badacze już wcześniej zidentyfikowali kanały potasowe, które zamykają się w przypadku hipoksji, co powoduje przesłanie sygnału do mózgu. Jednakże mechanizm modulacji aktywności kanałów potasowych przez tlen pozostawał nieznany. W czasie prac prowadzonych w ramach projektu OxygenSensing López-Barneo i jego zespół wykazali, że głównym sensorem tlenu w tych komórkach są mitochondria. Zazwyczaj organella te są w stanie funkcjonować prawidłowo nawet przy bardzo niskich poziomach tlenu – dużo niższych niż w przypadku hipoksji. Zespół, któremu przewodził López-Barneo, odkrył jednak, że mitochondria w komórkach kłębkowych stanowiących część kłębka szyjnego wykorzystują nietypowy wariant oksydazy cytochromu c. „Ustaliliśmy, że powinowactwo komórek kłębkowych do tlenu jest dużo niższe niż zazwyczaj, a działanie łańcucha transportu elektronów zmienia się w fizjologicznym zakresie dostępności tlenu”, mówi badacz. Oznacza to, że niewielki spadek poziomu tlenu zakłóca aktywność mitochondriów w tych komórkach. W rezultacie generowane są sygnały zamykające kanały potasowe, co prowadzi do wydzielenia transmiterów, które aktywują włókna nerwów czuciowych. Za pośrednictwem tych włókien do mózgu trafia informacja, że należy zwiększyć częstość oddechów i rzut serca.
Nowe metody leczenia
„Odkrycie to stanowi podstawę naszej pracy. Obecnie dysponujemy efektywnym modelem, a predykcje uzyskane z jego użyciem możemy testować eksperymentalnie”, dodaje López-Barneo. „Nasze badania potwierdzają rzetelność tego modelu”. Projekt może przyczynić się do wyjaśnienia osobliwej cechy przebiegu COVID-19 – tak zwanej cichej hipoksji – która wiąże się z tym, że organizm pacjenta nie reaguje na wystąpienie ostrego niedotlenienia. López-Barneo stawia hipotezę, że wirus być może dezaktywuje chemoreceptory w kłębku szyjnym podobnie jak te w nosie i jamie ustnej (co prowadzi do utraty węchu i smaku). Wyniki prac mogą mieć bardzo szerokie implikacje kliniczne. López-Barneo twierdzi, że badanie wesprze rozwój skutecznych środków pobudzających oddychanie, opartych na aktywacji sensora tlenu w kłębku szyjnym. Byłyby one bardzo przydatne w anestezji i leczeniu przedawkowania opioidów.
Słowa kluczowe
OxygenSensing, tlen, hipoksja, niedotlenienie, kłębek szyjny, krew, chemoreceptory, oddechowy, mózg, COVID-19, anestezja, przedawkowanie opioidów
