اکسیژن زیاد چگونه به بافت‌ها و سلول‌ها آسیب می‌رساند؟

به نقل از تی ان، وقتی صحبت از اکسیژن به میان می‌آید، چیزهای بسیار خوبی در ذهن تداعی می‌شود اما به تازگی محققان اظهار کرده‌اند تنفس هوایی که حاوی سطوح بالاتری از اکسیژن نسبت به ۲۱ درصد معمول موجود در جو زمین است(اگر بیش از حد نیاز بدن به اکسیژن باشد)، می‌تواند باعث آسیب به اندام، تشنج و حتی مرگ در افراد و حیوانات شود. با این حال، تاکنون دانشمندان بیشتر در مورد مکانیسم‌های پشت این پدیده که به عنوان مسمومیت با اکسیژن یا هایپراکسی شناخته می‌شود، حدس و گمان‌هایی زده بودند.

اکنون، محققان موسسه گلادستون کشف کرده‌اند که چگونه اکسیژن اضافی، تعداد انگشت شماری از پروتئین‌های سلول‌های ما را که حاوی آهن و گوگرد هستند، تغییر می‌دهد که این فرایند، فرآیندی شیمیایی شبیه به زنگ‌زدگی آهن است.

آن پروتئین‌های زنگ‌زده به نوبه خود باعث ایجاد مجموعه‌ای از رویدادها می‌شوند که به سلول‌ها و بافت‌ها آسیب می‌رسانند. این یافته‌ها پیامدهایی برای شرایطی مانند حملات قلبی و آپنه خواب دارد.

دکتر«ایشا جین» نویسنده ارشد مطالعه جدید گفت: این مطالعه به ما امکان داد تا یک جدول زمانی بسیار مشخص برای آنچه در هایپراکسی اتفاق می‌افتد، تنظیم کنیم. نتایج به هیچ وجه آن چیزی که ما انتظار داشتیم نبود، اما بسیار جالب و هیجان‌انگیز است که اکنون بدانیم این توالی از رویدادها چگونه رخ می‌دهد.

اکسیژن در سطوح بالا برای هر شکلی از زندگی از باکتری‌ها و گیاهان گرفته تا حیوانات و انسان‌ها، سمی است. البته کمبود اکسیژن نیز کشنده است.

در حالی که پزشکان مدت‌هاست جزئیات چگونگی تأثیر کمبود اکسیژن بر سلول‌ها و بافت‌ها را مطالعه کرده‌اند (مثلاً در حملات قلبی و سکته مغزی)، تأثیرات اکسیژن اضافی نسبتاً چندان مورد مطالعه قرار نگرفته است.

«آلن بایک» محقق مقطع فوق دکترا می‌گوید: برای سال‌های متمادی، آموزه‌های پزشکی این بود که تا حد معینی، اکسیژن بیشتر در هنگام درمان بیماران مبتلا به بیماری‌هایی مانند حملات قلبی بهتر یا حداقل خوب است اما در حال حاضر تعداد فزاینده‌ای از مطالعات بالینی وجود دارد که نشان می‌دهد اکسیژن اضافی در موقعی به نتایج بدتری منجر می‌شود. این به ما انگیزه داد تا درک کنیم که چرا اکسیژن اضافی می‌تواند سمی باشد.

به عنوان مثال، مطالعات اخیرا نشان داده‌اند که تنفس بیش از حد اکسیژن مکمل ممکن است برای بیماران حمله قلبی و نوزادان نارس مضر باشد. به طور مشابه، در آپنه انسدادی خواب، انفجار ناگهانی اکسیژن که به دنبال مکث در تنفس اتفاق می‌افتد، مؤلفه‌ای کلیدی در افزایش خطر ابتلا به مشکلات مزمن سلامتی بیماران است.

با این حال، مکانیسم این اثرات مبهم باقی مانده است. بسیاری از محققان تصور می‌کردند که گونه‌های فعال اکسیژن - مشتقات اکسیژن ناپایدار و بسیار واکنش‌پذیر که می‌توانند به ژنوم و بسیاری از مولکول‌های سلول‌های ما آسیب برسانند - احتمالاً در هیپراکسی نقش دارند، اما شواهد کمی وجود داشت که نشان دهد اکسیژن اضافی چگونه بر آنزیم‌ها و مسیرهای خاص تأثیر می‌گذارد.

گروه جین به فناوری ویرایش ژنوم کریسپر روی آوردند تا نقش انواع ژن‌ها را در هایپراکسی آزمایش کنند. محققان با استفاده از کریسپر، بیش از ۲۰ هزار ژن مختلف از سلول‌های انسانی که در آزمایشگاه رشد کرده بودند را حذف کردند و سپس رشد هر گروه از سلول‌ها را با ۲۱ درصد اکسیژن و ۵۰ درصد اکسیژن مقایسه کردند.

جین گفت: این نوع آزمایش بی‌طرفانه به ما اجازه می‌دهد تا مشارکت هزاران مسیر مختلف در هیپراکسی را به جای تمرکز بر روی مسیرهایی که قبلاً مشکوک به آن بودیم، بررسی کنیم. این آزمایش ما را به سمت مولکول‌هایی سوق داد که در مسمومیت با اکسیژن بیان نشده بودند.

چهار مسیر مولکولی در این آزمایش به عنوان مسیر مولکولی درگیر در اثرات هیپراکسی برجسته بودند. آن‌ها به عملکردهای سلولی متنوعی از جمله ترمیم دی.ان.ای آسیب دیده، تولید بلوک‌های سازنده دی.ان.ای جدید و تولید انرژی سلولی مربوط می‌شوند.

در ابتدا، محققان نمی‌توانستند مشخص کنند که این چهار مسیر مشترک چه هستند و چرا همه آن‌ها تحت تأثیر سطوح بالای اکسیژن قرار گرفتند. کشف این که هر مسیر دارای یک پروتئین حیاتی است که حاوی اتم‌های آهن متصل به اتم‌های گوگرد «خوشه‌های آهن-گوگرد» در ساختار مولکولی‌اش است، نیاز به تحقیقات مولکولی داشت.

محققان در ادامه نشان دادند که در کمتر از ۳۰ درصد اکسیژن، خوشه‌های آهن-گوگرد در چهار پروتئین اکسید می‌شوند - آن‌ها از نظر شیمیایی با اتم‌های اکسیژن واکنش می‌دهند و این تغییر باعث تجزیه پروتئین‌ها می‌شود در نتیجه، سلول‌ها عملکرد صحیح خود را متوقف می‌کنند و حتی اکسیژن کمتری مصرف می‌کنند و این امر باعث افزایش بیشتر سطح اکسیژن در بافت‌های اطراف می‌شوند.

جین می‌گوید: یک نکته مهم این است که هایپراکسی تنها از طریق گونه‌های فعال اکسیژن بر سلول‌ها و بافت‌ها تأثیر نمی‌گذارد. این بدان معناست که استفاده از آنتی اکسیدان‌ها(که می‌توانند تا حدی با گونه‌های فعال اکسیژن مبارزه کنند) بعید است برای جلوگیری از مسمومیت با اکسیژن کافی باشد.

یافته‌های این مطالعه در مجله «Molecular Cell» منتشر شده است.