Устойчивость организма к кислородному голоданию удалось определить по «подсказкам» в крови

Ученые в экспериментах на крысах определили молекулярные маркеры, то есть признаки, которые позволяют оценить, насколько организм устойчив к острому недостатку кислорода (гипоксии). Оказалось, что в белых кровяных тельцах у животных, чувствительных к кислородному голоданию, активнее работают нескольких генов, связанных с гипоксией и воспалением, а уровень определенных микроРНК, наоборот, ниже. Обнаруженные маркеры можно будет использовать при профессиональном отборе летчиков, космонавтов и спасателей, работа которых связана с риском гипоксии. Кроме того, полученные данные станут основой для определения риска развития послеоперационных осложнений у пациентов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Frontiers in Molecular Biosciences.

При сердечной и легочной недостаточности, анемии, тяжелых инфекциях вроде COVID-19 у человека может возникать кислородное голодание (гипоксия). Кроме того, такое состояние периодически испытывают летчики и космонавты. При этом у разных людей чувствительность к недостатку кислорода отличается: одни способны какое-то время легко переносить экстремально низкие уровни кислорода, а другие даже при непродолжительной гипоксии получают тяжелые воспалительные повреждения внутренних органов.

Чтобы проверить, насколько устойчив к гипоксии человек, который, например, хочет стать летчиком, его помещают в камеру, где уровень кислорода имитирует условия на высоте в несколько тысяч метров. Кроме того, подобные эксперименты проводят на лабораторных животных, чтобы исследовать влияние еще более сильных, а потому потенциально опасных для человека нагрузок. Однако, чтобы уберечь не только людей, но и животных от воспалений и повреждений органов, вызванных кислородным голоданием, нужны более щадящие методы оценки.

Ученые из Российского научного центра хирургии имени академика Б.В. Петровского (Москва) и Национального медицинского исследовательского центра акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова Минздрава РФ (Москва) впервые выявили у крыс молекулярно-генетические маркеры устойчивости к недостатку кислорода.

Авторы взяли образцы крови у 30 взрослых животных и определили активность генов в белых кровяных тельцах — лейкоцитах. Эти клетки выбрали потому, что они выполняют защитные функции, участвуя в иммунном ответе, и первыми реагируют на стресс. Кроме того, кровь — один из наиболее безопасных и доступных биологических материалов для лабораторных исследований.

Далее животных поместили в камеру с низким уровнем кислорода, чтобы определить время до появления первых признаков удушья. Крыс, которые продержались без проявлений судорожного дыхания более 4 минут, включили в группу устойчивых к гипоксии. Животных, которые стали задыхаться раньше, чем через 1 минуту и 20 секунд, — в группу чувствительных. Особей со средними показателями исключили из исследования для изучения эффектов недостатка кислорода у животных из противоположных групп, чтобы получить четкие и хорошо интерпретируемые результаты.

Оказалось, что изначально — еще до воздействия недостатком кислорода — у крыс, чувствительных к гипоксии, в лейкоцитах активность генов Hif1a, Epas1, Hif3a и Nfkb была выше, чем у устойчивых особей. Эти гены кодируют белки, которые управляют клеточным ответом на гипоксию и воспаление. Количество защитных микроРНК, регулирующих работу самых разных генов, напротив, оказалось ниже.

Кроме того, через месяц после эксперимента авторы наблюдали у чувствительных к гипоксии животных повышение активности генов, кодирующих цитокины — молекулы, которые способствуют воспалению. Это говорит о том, что крысы из этой группы более склонны к развитию воспалительных процессов.

«Выявленные в нашем исследовании показатели, которые различаются у животных с разной чувствительностью к гипоксии, могут рассматриваться как потенциальные биомаркеры исходной устойчивости к кислородному голоданию. На практике это позволит создать простую тест-систему — с ее помощью врачи смогут заранее выявлять людей, для которых гипоксия будет особенно опасна. Кроме того, такие маркеры будут полезны при отборе специалистов в сферах авиации и космонавтики, где важна хорошая переносимость недостатка кислорода. В дальнейшем мы планируем исследовать, как гипоксия разной степени тяжести и длительности влияет на организм животных с разной исходной устойчивостью к недостатку кислорода. Также важно проверить, могут ли выявленные нами молекулы служить индикаторами риска развития послеоперационных осложнений у пациентов кардиохирургического профиля на этапе предоперационного обследования», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Мария Кириллова, научный сотрудник лаборатории иммуноморфологии воспаления НИИ морфологии человека имени академика А.П. Авцына РНЦХ имени академика Б.В. Петровского.