Pobyt na dużej wysokości zmienia metabolizm organizmu

Im wyżej, tym niższe staje się ciśnienie atmosferyczne. Chociaż procentowa zawartość tlenu we wdychanym powietrzu się nie zmienia, zgodnie z równaniem Clapeyrona, gdy maleje ciśnienie powietrza, zmniejsza się ciśnienie parcjalne tlenu, a zatem jego podaż. Podczas przebywania w najwyżej położonych ludzkich osiedlach podaż tlenu może się zmniejszać nawet o połowę. Wśród najwyżej położonych miast świata są boliwijska stolica La Paz (3600-4100 metrów n.p.m.), na której stadionie niemal żadna obca drużyna piłkarska nie była w stanie wygrać, czy główne miasto Tybetu Lhasa (3650 metrów n.p.m.). Rekordzistą jest peruwiańska La Rinconada (5100 metrów n.p.m.).

Jedna trzecia globalnej populacji mieszka mniej więcej na poziomie morza, gdzie tlen stanowi około 21 proc. powietrza. Tylko 2 miliony ludzi na całym świecie żyje powyżej 4500 metrów nad poziomem morza — mniej więcej na wysokości alpejskiego szczytu Matterhorn (4478 m). Na tej wysokości oddychanie jest równie trudne, jak na nizinach przy zawartości tlenu 11 proc., jednak mieszkające tam osoby mogą przystosować się do niedotlenienia i dobrze się rozwijać. Co więcej, w porównaniu z mieszkańcami nizin, w osiedlach wysokogórskich rzadziej występują choroby związane z zaburzeniami metabolizmu, takie jak cukrzyca, choroba wieńcowa, hipercholesterolemia i otyłość.

Jak na organizm oddziałuje chronicznie niski poziom tlenu?

Badania nad tym zjawiskiem przeprowadzili na mysim modelu naukowcy z Gladstone Institutes (San Francisco, USA). Wykazali, że chronicznie niski poziom tlenu, taki jak na dużych wysokościach, zmienia sposób, w jaki myszy spalają cukry i tłuszcze. Praca nie tylko pomaga wyjaśnić różnice metaboliczne ludzi żyjących na dużych wysokościach, ale może również prowadzić do nowych metod leczenia chorób metabolicznych.

- Odkryliśmy, że kiedy organizm jest narażony na chronicznie niski poziom tlenu, różne narządy na rozmaite sposoby przetasowują swoje źródła paliwa i ścieżki wytwarzania energii – wskazała biorąca udział w badaniach dr Isha Jain. - Mamy nadzieję, że te odkrycia pomogą nam zidentyfikować przełączniki metaboliczne, które mogą być korzystne dla metabolizmu nawet poza środowiskami o niskiej zawartości tlenu.

Dotychczasowe badania nad niedotlenieniem zwykle były prowadzone na izolowanych komórkach lub w guzach nowotworowych, którym często brakuje tlenu. Tym razem badaczom zależało na bardziej szczegółowym spojrzeniu na to, jak długotrwałe niedotlenienie wpływa na narządy w całym ciele.

- Chcieliśmy sprofilować zmiany metaboliczne, które zachodzą, gdy organizm przystosowuje się do niedotlenienia – mówi Ayush Midha, główny autor publikacji. - Pomyśleliśmy, że może to dać pewien wgląd w to, jak ta adaptacja chroni przed chorobami metabolicznymi.

Midha, Jain i ich koledzy z Gladstone i UC San Francisco (UCSF) trzymali dorosłe myszy w komorach ciśnieniowych zawierających 21 proc., 11 proc. lub 8 proc. tlenu - wszystkie poziomy, na których zarówno ludzie, jak i myszy mogą przeżyć. Przez 3 tygodnie obserwowali zachowanie zwierząt, monitorowali ich temperaturę, poziom dwutlenku węgla i poziom glukozy we krwi oraz wykorzystywali skany pozytonowej tomografii emisyjnej (PET), aby zbadać, w jaki sposób różne narządy zużywają składniki odżywcze.

W pierwszych dniach niedotlenienia myszy żyjące w atmosferze odpowiadającej 11 proc. lub 8 proc. tlenu poruszały się mniej, spędzając godziny całkowicie nieruchomo. Jednak pod koniec trzeciego tygodnia ich wzorce ruchowe wróciły do normy. Podobnie poziom dwutlenku węgla we krwi – który zmniejsza się, gdy myszy lub ludzie oddychają szybciej, aby uzyskać więcej tlenu – początkowo spadł, ale wrócił do normalnego poziomu pod koniec 3 tygodnia.

Jednak metabolizm zwierząt wydawał się bardziej trwale zmieniony przez niedotlenienie. U myszy przebywających w warunkach niedotlenienia zarówno poziom glukozy we krwi, jak i masa ciała spadły i nie powróciły do poziomu sprzed niedotlenienia. Podobne zmiany zaobserwowano u ludzi żyjących na dużych wysokościach.

Analiza skanów PET każdego narządu także wykazała trwałe zmiany. Aby metabolizować kwasy tłuszczowe (z których składają się tłuszcze) i aminokwasy (elementy budulcowe białek), organizm potrzebuje wysokiego poziomu tlenu, natomiast do metabolizowania cukru-glukozy – wystarczy mniej tlenu. Zgodnie z oczekiwaniami w większości narządów niedotlenienie prowadziło do wzrostu metabolizmu glukozy. Jednak w brunatnej tkance tłuszczowej i mięśniach szkieletowych – dwóch organach znanych już z wysokiego poziomu metabolizmu glukozy – poziom zużycia glukozy niespodziewanie spadł.

- Przed tym badaniem zakładano, że w warunkach niedotlenienia metabolizm całego organizmu staje się bardziej wydajny w wykorzystaniu tlenu, co oznacza, że spala się więcej glukozy, a mniej kwasów tłuszczowych i aminokwasów – zwróciła uwagę Jain. - Wykazaliśmy, że podczas gdy niektóre narządy faktycznie zużywają więcej glukozy, inne zamiast tego oszczędzają glukozę.

Jak wyjaśnia badaczka, wcześniej badane wyizolowane komórki nie muszą dokonywać kompromisów, aby oszczędzać glukozę, podczas gdy w przypadku całego zwierzęcia, jest to konieczne do jego przeżycia.

Trwałe skutki długotrwałego niedotlenienia obserwowane u myszy – niższa masa ciała i poziom glukozy – są u ludzi związane z niższym ryzykiem chorób, w tym chorób układu krążenia. Zrozumienie, w jaki sposób niedotlenienie przyczynia się do tych zmian, może prowadzić do opracowania nowych leków, które naśladowałyby te korzystne efekty.

- Widzimy już sportowców trenujących na wysokości, aby poprawić swoje wyniki sportowe; może w przyszłości zaczniemy zalecać ludziom spędzanie czasu na dużych wysokościach z innych powodów zdrowotnych – powiedział Midha.