Rispetto alle persone che vivono al livello del mare, i 2 milioni di persone in tutto il mondo che vivono al di sopra dei 4.500 metri (o 14.764 piedi) di altitudine, circa l’altezza del Monte Rainier, del Monte Whitney e di molte vette del Colorado e dell’Alaska, hanno tassi più bassi di malattie metaboliche come il diabete, la malattia coronarica, l’ipercolesterolemia e l’obesità.
Ora, i ricercatori del Gladstone Institutes hanno fatto luce su questo fenomeno. Hanno mostrato come livelli di ossigeno cronicamente bassi, come quelli sperimentati ad alta quota, ricablano il modo in cui i topi bruciano zuccheri e grassi. Il lavoro, pubblicato sulla rivista Cell Metabolism, non solo aiuta a spiegare le differenze metaboliche delle persone che vivono in alta quota, ma potrebbe anche portare a nuovi trattamenti per le malattie metaboliche.
“Quando un organismo è esposto a livelli cronicamente bassi di ossigeno, abbiamo scoperto che diversi organi rimescolano le loro fonti di carburante e i loro percorsi di produzione di energia in vari modi”, afferma l’assistente ricercatore di Gladstone Isha Jain, Ph.D., autore senior del nuovo studio. “Speriamo che questi risultati ci aiutino a identificare gli interruttori metabolici che potrebbero essere utili per il metabolismo anche al di fuori degli ambienti a basso contenuto di ossigeno“.
Imitare la vita ad alta quota
Intorno al livello del mare, dove vive un terzo della popolazione mondiale, l‘ossigeno costituisce circa il 21% dell’aria che respiriamo. Ma le persone che vivono sopra i 4.500 metri, dove l’ossigeno costituisce solo l’11% dell’aria, possono adattarsi alla carenza di ossigeno, nota come ipossia e prosperare.
I ricercatori che studiano l’impatto dell’ipossia hanno tipicamente svolto la loro ricerca in cellule isolate o all’interno di tumori cancerosi, che spesso mancano di ossigeno. Il gruppo di Jain voleva uno sguardo più attento su come l’ipossia a lungo termine influisce sugli organi in tutto il corpo.
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“Volevamo profilare i cambiamenti metabolici che avvengono quando un organismo si adatta all’ipossia”, afferma Ayush Midha, uno studente laureato nel laboratorio di Jain e primo autore del nuovo articolo. “Abbiamo pensato che questo potesse fornire alcune informazioni su come tale adattamento protegge dalle malattie metaboliche”.
Midha, Jain e i loro colleghi di Gladstone e UC San Francisco (UCSF) hanno ospitato topi adulti in camere a pressione contenenti il 21%, l’11% o l’8% di ossigeno, tutti livelli ai quali sia gli esseri umani che i topi possono sopravvivere. Per 3 settimane, hanno osservato il comportamento degli animali, monitorato la loro temperatura, i livelli di anidride carbonica e la glicemia e hanno utilizzato la tomografia a emissione di positroni (PET) per studiare come i diversi organi consumavano i nutrienti.
Ridistribuzione del carburante
Nei primi giorni di ipossia, i topi che vivevano con l’11% o l’8% di ossigeno si muovevano meno, trascorrendo ore completamente immobili. Entro la fine della terza settimana, tuttavia, i loro schemi di movimento erano tornati alla normalità. Allo stesso modo, i livelli di anidride carbonica nel sangue, che diminuiscono quando i topi o gli esseri umani respirano più velocemente per cercare di ottenere più ossigeno, inizialmente sono diminuiti, ma sono tornati a livelli normali entro la fine delle 3 settimane.
Astratto grafico
Il metabolismo degli animali, tuttavia, sembrava alterato in modo più permanente dall’ipossia. Per gli animali alloggiati all’interno delle gabbie ipossiche, i livelli di glucosio nel sangue e il peso corporeo sono entrambi diminuiti e nessuno dei due è tornato ai livelli pre-ipossici. In generale, questi cambiamenti più duraturi rispecchiano ciò che è stato osservatao negli esseri umani che vivono in alta quota.
Quando i ricercatori hanno analizzato le scansioni PET di ciascun organo, hanno anche scoperto cambiamenti duraturi. Per metabolizzare gli acidi grassi (i mattoni dei grassi) e gli amminoacidi (i mattoni delle proteine), il corpo ha bisogno di alti livelli di ossigeno, mentre è necessario meno ossigeno per metabolizzare il glucosio dello zucchero. Nella maggior parte degli organi, l’ipossia ha portato ad un aumento del metabolismo del glucosio, una risposta attesa alla carenza di ossigeno. Ma gli scienziati hanno scoperto che nel grasso bruno e nel muscolo scheletrico, due organi già noti per i loro alti livelli di metabolismo del glucosio, i livelli di consumo di glucosio sono invece diminuiti.
“Prima di questo studio, l’ipotesi sul campo era che in condizioni ipossiche, il metabolismo di tutto il corpo diventa più efficiente nell’uso dell’ossigeno, il che significa che brucia più glucosio e meno acidi grassi e amminoacidi”, afferma Jain, che è anche un Professore assistente presso il Dipartimento di Biochimica dell’UCSF. “Abbiamo dimostrato che mentre alcuni organi consumano effettivamente più glucosio, altri invece diventano risparmiatori di glucosio”.
In retrospettiva, Jain afferma che l’osservazione ha senso; le cellule isolate precedentemente e studiate non hanno bisogno di fare compromessi per risparmiare glucosio, mentre un intero animale, per sopravvivere, si.
Gli effetti duraturi dell’ipossia a lungo termine osservati nei topi – peso corporeo e livelli di glucosio inferiori – sono entrambi associati a un minor rischio di malattie negli esseri umani, comprese le malattie cardiovascolari. Capire come l’ipossia contribuisce a questi cambiamenti potrebbe portare a nuovi farmaci che imitano questi effetti benefici.
Con questo obiettivo in mente, il gruppo di Jain spera di dare seguito a questo lavoro con studi che esaminino ancora più da vicino come i singoli tipi di cellule e i livelli delle molecole di segnalazione cambiano in modi diversi con l’ipossia. Tale ricerca potrebbe indicare modi per imitare gli effetti metabolici protettivi dell’ipossia con i farmaci o i viaggi ad alta quota.
“Vediamo già atleti che si allenano in quota per migliorare le loro prestazioni atletiche; forse in futuro inizieremo a raccomandare alle persone di trascorrere del tempo in alta quota per altri motivi di salute”, afferma Midha.
Fonte: Cell Metabolism