Разреженный горный воздух может бороться с диабетом, превращая эритроциты в «сахарные губки».
На протяжении многих лет исследователи наблюдали, что у людей, живущих на большой высоте, где не хватает кислорода, диабет развивается реже, чем у тех, кто живет на уровне моря. Хотя эта тенденция была хорошо задокументирована, ее биологическое объяснение оставалось неясным.
Ученые из Института Гладстона утверждают, что им удалось установить причину. Их исследование показывает, что в условиях низкого содержания кислорода эритроциты начинают поглощать большое количество глюкозы из кровотока. По сути, в условиях, схожих с теми, что наблюдаются на самых высоких горах мира, клетки действуют как губки, впитывающие сахар.
В результатах исследования, опубликованных в журнале Cell Metabolism, команда ученых продемонстрировала, что эритроциты могут изменять свой метаболизм при снижении уровня кислорода. Это позволяет клеткам более эффективно доставлять кислород к тканям на большой высоте. В то же время это снижает уровень сахара в крови, что может служить потенциальным объяснением снижения риска развития диабета.
По словам старшего автора исследования Иши Джейн, доктора философии, научного сотрудника Фонда Глэдстоуна, ведущего научного сотрудника Института Арк и профессора биохимии в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, это исследование дает ответ на давний вопрос физиологии.
«Эритроциты представляют собой скрытый механизм метаболизма глюкозы, который до сих пор не был изучен, — говорит Джайн. — Это открытие может открыть совершенно новые способы контроля уровня сахара в крови».
Эритроциты признаны поглотителями глюкозы
Лаборатория Джейн много лет изучала гипоксию — пониженное содержание кислорода в крови — и ее влияние на обмен веществ. В ходе предыдущих экспериментов ее команда заметила, что у мышей, которых помещали в среду с низким содержанием кислорода, резко снижался уровень глюкозы в крови. После еды животные быстро избавлялись от сахара в крови, что обычно связано с пониженным риском развития диабета. Однако когда исследователи изучили основные органы, чтобы определить, куда расходуется глюкоза, они не нашли однозначного ответа.
«Когда мы давали мышам сахар в условиях гипоксии, он почти мгновенно исчезал из их крови, — говорит Иоланда Марти-Матеос, доктор философии, постдокторант в лаборатории Джайна и первый автор нового исследования. — Мы проверили мышцы, мозг, печень — все, что обычно проверяют, — но ничего в этих органах не могло объяснить происходящее».
Используя другой метод визуализации, исследователи обнаружили, что эритроциты служат недостающим «поглотителем глюкозы», то есть они поглощают и используют значительное количество глюкозы из кровотока. Это стало неожиданностью, поскольку эритроциты традиционно считались простыми переносчиками кислорода.
Последующие эксперименты на мышах подтвердили это открытие. В условиях низкого содержания кислорода у животных вырабатывалось больше эритроцитов, и каждая отдельная клетка поглощала больше глюкозы по сравнению с клетками, образовавшимися при нормальном уровне кислорода.
Чтобы выяснить молекулярные механизмы этого процесса, группа Джайна объединила усилия с Анджело Д’Алессандро, доктором философии из Медицинского кампуса Аншутца при Университете Колорадо, и Алланом Доктором, доктором медицины из Мэрилендского университета, который долгое время изучал биологию эритроцитов.
Их работа показала, что при недостатке кислорода эритроциты используют глюкозу для выработки молекулы, которая помогает доставлять кислород к тканям. Этот процесс особенно важен при дефиците кислорода.
«Больше всего меня удивила масштабность эффекта, — говорит Д'Алессандро. — Обычно считается, что эритроциты — это пассивные переносчики кислорода. Однако мы обнаружили, что на их долю может приходиться значительная часть потребления глюкозы всем организмом, особенно при гипоксии».
Последствия для лечения сахарного диабета
Исследователи также обнаружили, что метаболические преимущества длительной гипоксии сохранялись в течение нескольких недель и даже месяцев после того, как уровень кислорода в организме мышей нормализовался.
Затем они протестировали HypoxyStat — препарат, недавно разработанный в лаборатории Джайна, который имитирует воздействие низкого уровня кислорода. HypoxyStat выпускается в форме таблеток и заставляет гемоглобин в эритроцитах прочнее связываться с кислородом, ограничивая его поступление в ткани. На мышиных моделях диабета препарат полностью снижал уровень сахара в крови и превосходил по эффективности существующие методы лечения.
«Это одно из первых применений HypoxyStat не только при митохондриальных заболеваниях, — говорит Джайн. — Это открывает возможности для принципиально нового подхода к лечению диабета — за счет использования эритроцитов в качестве поглотителей глюкозы».
Полученные результаты могут быть применимы и в других случаях, не связанных с диабетом. Д'Алессандро отмечает потенциальную значимость для физиологии физических упражнений и патологической гипоксии после травм. Травмы остаются основной причиной смертности среди молодых людей, а изменения в выработке и метаболизме эритроцитов могут влиять на доступность глюкозы и работу мышц.
«Это только начало, — говорит Джайн. — Нам еще многое предстоит узнать о том, как весь организм адаптируется к изменениям в содержании кислорода и как мы можем использовать эти механизмы для лечения различных заболеваний».