Последние открытия профессора Джонатана Стамлера, касающиеся оксида азота, могут в корне изменить наше представление о дыхательной системе и открыть новые возможности для спасения жизней. Может пора переписать учебники.
Научная догма гласит, что процесс дыхания состоит только из двух элементов – кислорода и углекислого газа. В частности, доставка кислорода из легких в ткани и удаление продукта жизнедеятельности, углекислого газа, посредством выдоха.
Недавно опубликованные в Интернете в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Стамлер и его коллеги продемонстрировали, что оксид азота необходим для доставки кислорода к клеткам и тканям, которые в нем нуждаются.
Стамлер, доктор медицинских наук, профессор медицины в Медицинской школе Университета Кейс Вестерн Резерв и кардиолог при университетских больницах Медицинский центр Кейс, возглавлял команду, которая показала, что оксид азота должен сопровождать гемоглобин, чтобы позволить кровеносным сосудам открываться, а затем поставлять кислород тканям.
Врачи давно знают, что существует большая разница между количеством кислорода, переносимого в крови, и количеством кислорода, доставленного к тканям. До сих пор у них не было возможности объяснить расхождение. Новые результаты показывают, что оксид азота в самих эритроцитах является привратником дыхательного цикла – оксид азота заставляет цикл работать.
"Суть в том, что мы открыли молекулярную основу контроля кровотока в петле дыхательного цикла," Стамлер сказал. "Он находится в самом белке гемоглобина, который обладает способностью доставлять оксид азота вместе с кислородом. В упрощенном учебнике двух газов, переносимых гемоглобином, отсутствует важный элемент – оксид азота – потому что кровоток в тканях на самом деле более важен в большинстве случаев, чем количество кислорода, переносимого гемоглобином. Итак, дыхательный цикл на самом деле представляет собой систему из трех газов."
Предыдущее исследование Стамлера показало, что дыхательный цикл – это нечто большее, чем обмен кислорода и углекислого газа. Стамлер и его коллеги также показали, что красные кровяные тельца несут и высвобождают оксид азота, но еще не объяснили точные физиологические последствия высвобождения оксида азота.
В этом последнем исследовании исследователи обнаружили ключевую роль оксида азота в контроле кровотока в мелких сосудах в тканях, ответственных за доставку кислорода (известных как "ауторегуляция кровотока") – процесс, молекулярная основа которого была давней загадкой в медицине. Исследователи специально исследовали дыхательный цикл у мышей, лишенных одного аминокислотного участка, который несет оксид азота в их красных кровяных тельцах. Низкий и вот, ауторегуляция кровотока полностью устранена – животные не могут насыщать ткани кислородом.
Первоначально исследователи обнаружили низкий уровень кислорода в мышцах животных на исходном уровне, несмотря на то, что эритроциты животных несут полную нагрузку кислорода. Когда мышей затем подвергали стрессу, чтобы вызвать небольшое кислородное голодание (гипоксию), приток крови к их органам резко упал. Недостаток кислорода должен был вызвать всплеск кровотока, чтобы отправить больше насыщенной кислородом крови к тканям и клеткам. Вместо этого снижение кровотока и связанная с этим нехватка кислорода спровоцировали сердечные приступы и сердечную недостаточность у этих животных с дефицитом оксида азота.
Эксперимент показал, что механизм высвобождения оксида азота регулирует доставку кислорода. Когда оксид азота течет из места связывания цистеина в гемоглобине, кровеносные сосуды расширяются (растягиваются) и позволяют переносящим кислород эритроцитам получить доступ к тканям.
"У этих мышей были красные кровяные тельца, которые по всем традиционным меркам совершенно нормально переносят кислород и выделяют его, а затем поглощают углекислый газ, но эти животные не могут насыщать кислородом свои ткани," сказал Стамлер, директор Института трансформирующей молекулярной медицины Case Western Reserve. "Отсутствие оксида азота в эритроцитах и недостаток кислорода не может вызвать вазодилатацию, которая необходима для поддержания жизни в том виде, в каком мы ее знаем."
Исторически считалось, что контроль кровотока является прерогативой кровеносных сосудов и их эндотелиальных покрытий, в то время как роль красных кровяных телец недооценивалась. Считалось, что дефицит кровотока, вызывающий сердечные приступы и инсульты, не связан с эритроцитами.
"Внутри тканей крошечные сосуды и красные кровяные тельца вместе составляют критически важную сущность, контролирующую кровоток," Стамлер сказал. "Дисфункция эритроцитов, вероятно, является скрытым фактором таких заболеваний сердца, легких и крови, как инфаркт, сердечная недостаточность, инсульт и ишемическое повреждение почек."
Низкий уровень оксида азота в эритроцитах делает заболевания крови, такие как серповидно-клеточная анемия, особенно опасными. Лабораторные исследования показали, что красные кровяные тельца у людей с этими состояниями не вызывают гипоксическую вазодилатацию, необходимую для нормальной работы ауторегуляции кровотока.
Кроме того, переливание крови, в котором недавно был обнаружен дефицит оксида азота, связано с повышением заболеваемости и смертности, включая сердечные приступы. По словам Стэмлера, эффекты переливания крови подозрительно похожи на эффекты, наблюдаемые у мышей. Им обоим не хватает оксида азота.
"Недостаточно повысить содержание кислорода в крови путем переливания; если механизм оксида азота снят, кислород не может добраться до места назначения," он сказал. "Мы знаем, что кровь в банке крови испытывает дефицит оксида азота, поэтому вливание этой крови может вызвать закупорку кровеносных сосудов в тканях, что усугубит ситуацию. По сути, кровоток не может саморегулироваться (увеличиваться) без оксида азота. С точки зрения разработки будущих методов лечения, целью должно быть восстановление функции красных кровяных телец в сочетании с возможностью доставки оксида азота. Что касается кровоснабжения нации, кровь должна быть восполнена оксидом азота."