По сравнению с теми из нас, кто живет на уровне моря, 2 миллиона человек во всем мире, которые живут на высоте более 4500 метров (или 14 764 футов) над уровнем моря — примерно на высоте горы Рейнир, горы Уитни и многих пиков Колорадо и Аляски — имеют более низкие показатели метаболические заболевания, такие как диабет, ишемическая болезнь сердца, гиперхолестеринемия и ожирение.

Теперь исследователи Института Гладстона пролили свет на это явление. Они показали, как хронически низкий уровень кислорода , например, на большой высоте , перестраивает то, как мыши сжигают сахар и жиры. Работа, опубликованная в журнале Cell Metabolism , не только помогает объяснить метаболические различия людей, живущих на большой высоте, но также может привести к новым методам лечения метаболических заболеваний.

«Когда организм подвергается хронически низким уровням кислорода , мы обнаружили, что разные органы по-разному перетасовывают свои источники энергии и пути производства энергии», — говорит помощник исследователя Гладстона Иша Джайн, доктор философии, старший автор нового исследования. изучать. «Мы надеемся, что эти результаты помогут нам определить метаболические переключатели, которые могут быть полезны для метаболизма даже за пределами среды с низким содержанием кислорода».

Имитация высокогорной жизни

Около уровня моря , где проживает треть населения мира, кислород составляет около 21 процента воздуха, которым мы дышим. Но люди, которые живут выше 4500 метров, где кислород составляет всего 11 процентов воздуха, могут адаптироваться к нехватке кислорода, известной как гипоксия, и процветать.

Исследователи, изучающие влияние гипоксии, обычно проводят свои исследования в изолированных клетках или в раковых опухолях, которым часто не хватает кислорода. Группа Джайна хотела получить более детальный взгляд на то, как длительная гипоксия влияет на органы по всему телу.

«Мы хотели профилировать метаболические изменения , которые происходят, когда организм адаптируется к гипоксии», — говорит Аюш Мидха, аспирант лаборатории Джайна и первый автор новой статьи. «Мы подумали, что это может дать некоторое представление о том, как эта адаптация защищает от метаболических заболеваний».

Мидха, Джейн и их коллеги из Гладстона и Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) поместили взрослых мышей в барокамеры, содержащие 21, 11 или 8 процентов кислорода — все уровни, при которых могут выжить и люди, и мыши. В течение 3 недель они наблюдали за поведением животных, контролировали их температуру, уровень углекислого газа и уровень глюкозы в крови, а также использовали позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) для изучения того, как различные органы потребляют питательные вещества.

Перераспределение энергии

В первые дни гипоксии мыши, живущие при 11- или 8-процентной концентрации кислорода, меньше двигались, проводя часы совершенно неподвижно. Однако к концу третьей недели их движения вернулись к норме. Точно так же уровни углекислого газа в крови, которые уменьшаются, когда мыши или люди дышат быстрее, чтобы попытаться получить больше кислорода, изначально снижались, но возвращались к нормальным уровням к концу 3 недель.

Однако метаболизм животных, по-видимому, был более стойко изменен гипоксией. У животных, содержащихся в гипоксических клетках, уровни глюкозы в крови и масса тела снизились, но ни один из них не вернулся к догипоксическим уровням. В целом, эти более длительные изменения отражают то, что наблюдается у людей, живущих на большой высоте.

Когда исследователи проанализировали ПЭТ-сканирование каждого органа, они также обнаружили стойкие изменения. Для метаболизма жирных кислот (строительных блоков жиров) и аминокислот (строительных блоков белков) организму требуется высокий уровень кислорода, в то время как для метаболизма сахара-глюкозы требуется меньше кислорода. В большинстве органов гипоксия приводила к усилению метаболизма глюкозы — ожидаемая реакция на нехватку кислорода. Но ученые обнаружили, что в буром жире и скелетных мышцах — двух органах, уже известных своим высоким уровнем метаболизма глюкозы — уровень потребления глюкозы вместо этого снизился.

«До этого исследования в этой области предполагалось, что в условиях гипоксии метаболизм всего вашего тела становится более эффективным при использовании кислорода, что означает, что он сжигает больше глюкозы и меньше жирных кислот и аминокислот», — говорит Джейн, который также является доцент кафедры биохимии UCSF. «Мы показали, что в то время как некоторые органы действительно потребляют больше глюкозы, другие вместо этого начинают экономить глюкозу».

Оглядываясь назад, Джейн говорит, что это наблюдение имеет смысл; изолированные клетки, изученные ранее, не должны идти на компромиссы, чтобы сохранить глюкозу, в то время как все животные, чтобы выжить, делают это.

Длительные эффекты длительной гипоксии, наблюдаемые у мышей — более низкая масса тела и уровень глюкозы — связаны с более низким риском заболеваний у людей, включая сердечно-сосудистые заболевания. Понимание того, как гипоксия способствует этим изменениям, может привести к созданию новых лекарств, имитирующих эти положительные эффекты.

Имея в виду эту цель, группа Джайна надеется продолжить эту работу исследованиями, которые еще более внимательно изучают, как отдельные типы клеток и уровни сигнальных молекул по-разному меняются при гипоксии. Такие исследования могут указать на способы имитации защитных метаболических эффектов гипоксии с помощью лекарств или высотных полетов.

«Мы уже видим спортсменов, которые тренируются на высоте, чтобы улучшить свои спортивные результаты; возможно, в будущем мы начнем рекомендовать людям проводить время на большой высоте по другим причинам для здоровья», — говорит Мидха.