کشف اثرات مخرب اکسیژن بر سلامت بدن

دانشمندان به یافته هایی دست پیدا کرده اند که نشان می دهد میزان بالای اکسیژن در قالب پدیده ای به نام سمیت اکسیژن یا هیپراکسی، می تواند منجر به مشکلات سلامتی پایدار در بدن انسان شود.

به گزارش تکناک، وقتی صحبت از اکسیژن به میان می آید، معمولاً تمایل داریم به جنبه‌های مثبت آن توجه کنیم اما تنفس در فضایی با غلظت بیشتر از ۲۱ درصد اکسیژن که غلظت استاندارد آن در هوای زمین است، می‌تواند باعث آسیب به اعضای بدن، تشنج و حتی مرگ در انسان و حیوانات شود. این پدیده به عنوان سمیت اکسیژن یا هیپراکسی شناخته می‌شود و زمانی اتفاق می‌افتد که میزان اکسیژن بیشتر از نیاز بدن باشد. دانشمندان از این پدیده آگاه بودند اما برای درک مکانیزم‌های اساسی سمیت اکسیژن، هنوز بر حدس و گمان ها تکیه کرده‌اند.

یک مطالعه جدید از مؤسسه گلادستون نشان داده است که چگونه سطح اکسیژن بیش از حد، پروتئین های حاوی آهن و گوگرد را در سلول های ما تغییر می دهد و موجب شکل گیری فرآیندی شبیه به زنگ زدن آهن در بدن می شود . این مسئله  در نتیجه پروتئین‌های ” زنگ‌زده ” یک واکنش زنجیره‌ای را ایجاد می‌کنند که باعث آسیب به سلول‌ها و بافت‌ها می‌شود. این مطالعه که در مجله Molecular Cell منتشر شده است، پیامدهایی مانند حملات قلبی و خفگی در خواب را بررسی می کند.

دکتر ایشا جین، نویسنده ارشد این مطالعه جدید می گوید: این مطالعه به ما اجازه داد تا یک جدول زمانی بسیار مشخص برای آنچه در هیپراکسی اتفاق می افتد، تنظیم کنیم. نتایج به دست آمده به هیچ وجه آن چیزی نبود که انتظارش را داشتیم، اما بسیار جالب و هیجان انگیز است که اکنون بدانیم این زنجیره از رویدادها چگونه رخ می دهد.

یک سوال بدون مطالعه

اکسیژن در سطوح بالا، برای همه جانداران، از باکتری ها و گیاهان گرفته تا حیوانات و انسان ها سمی است و البته کمبود اکسیژن نیز کشنده است. بنابراین یک مقدار متوسط به نام “گلدیلاک” وجود دارد که بیشتر موجودات روی زمین با این میزان از اکسیژن زندگی می کنند که نه خیلی زیاد است و نه خیلی کم.

هرچند که پزشکان مدت‌هاست چگونگی تأثیر کمبود اکسیژن بر سلول‌ها و بافت‌ها را مثلاً در حملات قلبی و سکته مغزی مطالعه کرده‌اند، اما تأثیرات اکسیژن بیشتر، تقریبا تاکنون مورد مطالعه قرار نگرفته است.

دکتر آلن بایک می گوید: آموزه‌های پزشکی برای سال‌های متمادی بر این استوار بود که وجود اکسیژن بیشتر تا حدی  در درمان بیماری‌هایی مانند حملات قلبی، مفید یا حداقل بی ضرر است. اما در حال حاضر مطالعات بالینی زیادی وجود دارد که نشان می دهد اکسیژن اضافی در واقع منجر به نتایج بدتری می شود. فهمیدن این موضوع به ما انگیزه داد تا بهتر بفهمیم که چرا اکسیژن بیش از حد می تواند سمی باشد.

اخیراً مطالعات نشان داده اند که استفاده بیش از حد از مکمل اکسیژن، ممکن است برای بیماران مبتلا به حمله قلبی و نوزادان نارس مضر باشد. به طور مشابه، در موارد خفگی انسدادی خواب، انفجار ناگهانی اکسیژن به دنبال مکث در تنفس عامل اصلی افزایش خطر ابتلا به مشکلات مزمن سلامتی در بیماران محسوب می‌شود.

با این وجود، مکانیسم این اثرات هنوز به طور کامل مشخص نشده است. بسیاری از محققان تصور می کردند که گونه‌های فعال اکسیژن، یعنی مشتقات ناپایدار و بسیار واکنش‌پذیر اکسیژن، ممکن است در هیپراکسی نقش داشته باشند و به ژنوم و بسیاری از مولکول‌های سلول‌های ما آسیب برسانند. با این حال، شواهد کافی برای نشان دادن اینکه وجود اکسیژن بیش از حد چگونه بر روی آنزیم‌ها و مسیرهای خاص تأثیر می‌گذارد، وجود ندارد.

روشی که پاسخ این سوالات بی جواب را یافت

گروه تحقیقاتی جین از جمله بایک، دکتر گالیه هاریبووو و کرستن ژیوون چن که اولین نویسندگان این مطالعه جدید هستند، به فناوری ویرایش ژنوم CRISPR روی آوردند تا نقش انواع ژن‌ها را در هیپراکسی آزمایش کنند.

محققان با استفاده از روش CRISPR، بیش از 20هزار ژن مختلف را از سلول‌های انسانی که در آزمایشگاه رشد کرده بودند، حذف کردند و سپس رشد هر گروه از سلول‌ها را با میزان 21 درصد اکسیژن و 50 درصد اکسیژن مقایسه کردند.

استفاده از این نوع روش به ما اجازه می دهد تا مشارکت هزاران مسیر مختلف در هیپراکسی را به جای تمرکز بر روی مسیرهایی که قبلاً به آن ها مشکوک بودیم، بررسی کنیم. این روش ما را به سمت مولکول‌هایی سوق داد که قبلاً در سمیت اکسیژن دیده نشده بودند.

چهار مسیر مولکولی در این روش به عنوان مسیرهای درگیر در اثرات هیپراکسی پیدا شدند. این مسیرها به عملکردهای سلولی متنوعی از جمله ترمیم DNA آسیب دیده، تولید بلوک های سازنده DNA جدید و تولید انرژی سلولی مربوط می شوند.

خوشه های پروتئینی رایج

اولین گام برای تیم تحقیقاتی، شناسایی چهار مسیر مشترک بود که با سطوح بالای اکسیژن تحت تأثیر قرار می‌گیرند، اما این گروه نتوانست تشخیص دهد که این مسیرها چه هستند و چرا همه آنها تحت تأثیر اکسیژن قرار می‌گیرند. به دنبال آن، برای شناسایی مولکولی خوشه‌های آهن-گوگرد، که حاوی پروتئین حیاتی با اتم‌های آهن و گوگرد بودند، نیاز به تحقیقات بیشتری بود.

محققان در ادامه نشان دادند که واکنش خوشه‌های آهن-گوگرد با اتم‌های اکسیژن در میزان کمتر از ۳۰ درصد، باعث اکسیداسیون چهار پروتئین مشترک و در ادامه تجزیه پروتئین‌ها می‌شود. در نتیجه، سلول‌ها عملکرد صحیح خود را متوقف کرده و اکسیژن کمتری مصرف می‌کنند و باعث افزایش سطح اکسیژن در بافت‌های اطراف می‌شوند.

یکی از نکات مهم این است که تأثیر هیپراکسی بر سلول‌ها و بافت‌ها تنها از طریق گونه‌های فعال اکسیژن نیست. به عبارت دیگر، برای پیشگیری از سمیت اکسیژن، استفاده از آنتی‌اکسیدان‌ها که می‌توانند در برابر گونه‌های فعال اکسیژن مبارزه کنند، به تنهایی کافی نیست.