Когда кислорода слишком много: гипоксия втрое продлила жизнь больным мышам

Снижение уровня кислорода защитило мозг при нарушении работы митохондрий — но до лечения людей еще далеко

Кислород необходим клеткам для производства энергии. Однако сам по себе его избыток не гарантирует, что ткани будут работать лучше.

Если митохондрии — энергетические структуры клетки — перестают нормально расходовать поступающий кислород, он может накапливаться в тканях и повреждать чувствительные молекулы. Именно такой механизм исследователи из Gladstone Institutes обнаружили в модели тяжелого митохондриального заболевания.

Митохондрии не только используют кислород, но и защищают от его избытка

Большая часть кислорода, который потребляют клетки, поступает в митохондрии. Там он участвует в цепочке реакций, позволяющих извлекать энергию из питательных веществ и производить аденозинтрифосфат — АТФ, универсальное клеточное «топливо».

Один из центральных элементов этой системы называется комплексом I. Это огромная молекулярная конструкция из более чем 40 белковых компонентов. Она принимает электроны, передает их дальше по дыхательной цепи и участвует в создании условий для синтеза АТФ.

Но у комплекса I есть и менее очевидная функция. Расходуя кислород, митохондрии помогают удерживать его концентрацию в тканях в безопасном диапазоне.

Если комплекс I поврежден, потребление кислорода снижается. Кровь продолжает доставлять его в прежнем объеме, но клетки уже не способны использовать весь поступающий запас. В результате в отдельных тканях может возникнуть локальная гипероксия — избыток кислорода.

Проще говоря, проблема состоит не в том, что организму дали слишком много кислорода. Проблема в том, что заболевшие митохондрии перестали его нормально «сжигать».

Как поломка клеточной уборки выводит из строя энергетическую систему

Авторы работы изучали белок HTRA2. Он расположен внутри митохондрий и действует как протеаза — фермент, который распознает и расщепляет поврежденные или неправильно свернутые белки.

Такая система контроля необходима постоянно. Белковые молекулы должны принимать точную трехмерную форму, чтобы выполнять свою функцию. Ошибочно свернутые белки могут слипаться, образовывать агрегаты и мешать работе клеточных механизмов.

Исследователи выяснили, что HTRA2 работает совместно с другим белком — CLPB. Их роли различаются, но дополняют друг друга.

CLPB способен разбирать белковые скопления и возвращать некоторые молекулы в растворимое состояние. HTRA2 удаляет поврежденные белки, которые восстановить уже нельзя. Вместе они действуют как бригада технического обслуживания: один специалист разбирает затор, другой утилизирует неисправные детали.

При дефекте HTRA2 эта система нарушается. Белки начинают агрегировать, а некоторые компоненты комплекса I теряют стабильность. В результате энергетическая машина митохондрий частично разрушается и хуже потребляет кислород.

Именно здесь происходит ключевой момент: снижение уровня кислорода не исправило генетическую мутацию и не восстановило полностью работу комплекса I. Оно, вероятно, уменьшило последствия ситуации, при которой кислорода в ткани оставалось больше, чем поврежденные митохондрии могли использовать.

Почему ученые решили проверить воздух с 11% кислорода

Исследование началось не с мышей, а с анализа результатов более раннего геномного скрининга. Ученые искали гены, потеря которых мешала клеткам выживать при обычном содержании кислорода, но становилась менее опасной в условиях гипоксии.

После сопоставления этих данных с каталогом наследственных заболеваний исследователи получили 75 генов-кандидатов. Многие из них были связаны с комплексом I, но среди результатов оказался и HTRA2 — компонент системы контроля качества белков.

Затем гипотезу проверили на мышах с мутацией Htra2. Такие животные страдали тяжелой нейродегенерацией: у них развивались тремор, мышечная атрофия, нарушения походки и ранняя гибель.

Часть мышей дышала обычным воздухом, содержащим около 21% кислорода. Другую группу с 11-го дня жизни постоянно содержали в атмосфере с 11% кислорода — это выраженная гипоксия, сопоставимая с условиями очень большой высоты.

Защита мозга оказалась неодинаковой

Наиболее заметное улучшение исследователи обнаружили в стриатуме — области мозга, которая участвует в управлении движениями, формировании привычек и других функциях. В условиях гипоксии признаки воспаления и повреждения в стриатуме уменьшались.

Однако в таламусе аналогичного улучшения не произошло.

Это важное ограничение. Даже внутри одного мозга разные области могут по-разному реагировать на одинаковую генетическую поломку и на снижение кислорода. Причиной могут быть различия в энергетических потребностях, кровоснабжении, количестве белковых агрегатов или способности клеток компенсировать повреждение митохондрий.

Поэтому говорить об универсальной «защите мозга недостатком кислорода» было бы неправильно. Эффект оказался зависимым и от заболевания, и от конкретной ткани.

Избыток кислорода обнаружили по косвенным признакам

Авторы предполагают, что дефект HTRA2 снижал потребление кислорода и создавал локальную гипероксию. Но напрямую измерить парциальное давление кислорода в стриатуме мышей оказалось технически сложно.

Вместо этого ученые использовали два косвенных показателя.

Во-первых, в пораженной ткани снижалось количество белков, содержащих железосерные кластеры. Эти хрупкие молекулярные структуры особенно чувствительны к окислительному повреждению. При гипоксии их содержание частично восстанавливалось.

Во-вторых, в стриатуме изменялась активность генов, реагирующих на доступность кислорода. После снижения его концентрации эти показатели приближались к нормальным.

Оба результата согласуются с гипотезой локального избытка кислорода, но не доказывают ее окончательно. Сами авторы подчеркивают, что использовали непрямые маркеры, а гипоксия могла влиять и на другие процессы — например, на скорость синтеза белков, их транспорт в митохондрии и устойчивость к окислительному стрессу.

Это не означает, что гипоксия полезна здоровому мозгу

Исследование легко интерпретировать слишком широко. Из него не следует, что людям полезно намеренно ограничивать дыхание, реже проветривать помещение, тренироваться при нехватке воздуха или самостоятельно использовать гипоксические камеры.

Работа проводилась на клетках и генетически измененных мышах с тяжелым заболеванием. Людей в исследовании не было. Кроме того, животные находились в точно контролируемой атмосфере непрерывно и начинали лечение на раннем этапе жизни.

Недостаток кислорода способен сам повреждать мозг, сердце и другие органы. Безопасный диапазон, продолжительность воздействия и возможные противопоказания для людей пока не определены.

Исследователи также предупреждают, что гипоксия, вероятно, подойдет не при любом нарушении митохондрий. Наиболее чувствительными могут оказаться заболевания, при которых центральной проблемой становится дефект комплекса I и связанное с ним снижение потребления кислорода. Поломки других частей дыхательной цепи способны вызывать иные метаболические последствия.

Можно ли заменить гипоксическую камеру лекарством

Постоянное вдыхание воздуха с 11% кислорода трудно превратить в удобную терапию. Поэтому команда Иши Джайн разрабатывает фармакологический подход, способный воспроизвести часть эффектов гипоксии без изменения состава воздуха.

Экспериментальная молекула HypoxyStat повышает сродство гемоглобина к кислороду. Гемоглобин продолжает переносить кислород в крови, но отдает его тканям менее охотно. В результате его доставка в органы снижается.

В более ранней работе препарат улучшал состояние мышей с другой формой митохондриального заболевания — моделью синдрома Лея. Однако HypoxyStat пока остается экспериментальной разработкой. Его эффективность и безопасность для пациентов не установлены.

Дополнительной причиной для осторожности служит конфликт интересов: руководитель исследования Иша Джайн указала патенты, связанные с гипоксической терапией. Это не опровергает полученные данные, но важно учитывать при оценке перспектив метода и необходимости независимого воспроизведения результатов.

Что исследование меняет в понимании митохондриальных болезней

Раньше заболевания, вызванные мутациями HTRA2, можно было рассматривать прежде всего как нарушение удаления поврежденных белков. Новая работа соединяет несколько процессов в одну цепочку:

• Дефект HTRA2 и CLPB: нарушает контроль качества белков;
• Накопление белков: неправильно свернутые белки накапливаются внутри митохондрий;
• Дестабилизация комплекса I: компоненты теряют стабильность;
• Снижение расхода кислорода: митохондрии расходуют меньше кислорода;
• Локальная гипероксия: в уязвимых тканях возникает вероятный локальный избыток кислорода;
• Нейродегенерация: окислительное повреждение усиливает заболевание;
• Терапевтический эффект: снижение доставки кислорода частично разрывает этот патологический круг.

Это и есть главный результат исследования. Оно предлагает не отдельное средство против одной редкой мутации, а критерий, по которому можно искать целую группу заболеваний, потенциально чувствительных к регулированию кислородного баланса.

До клинического применения еще необходимо определить, возникает ли аналогичная локальная гипероксия у пациентов, какие заболевания действительно зависят от нее и можно ли безопасно снизить доставку кислорода только до нужного уровня.