Élet vér nélkül: mennyit ér az oldott oxigén?
· Szerző: Miklós Rácz
1960-ban egy holland sebész, Ite Boerema olyan kísérletet mutatott be, amely ma is meghökkentő: malacok éltek túl olyan állapotot, amelyben a vérükben gyakorlatilag nem volt hemoglobin. Az oxigént kizárólag a vérplazmában oldott formában kapták meg, nagy nyomású kamrában. A kísérlet a „Life without blood”, vagyis „Élet vér nélkül” címet kapta, és Boeremát sokan a hiperbár orvoslás atyjaként tartják számon.
Ebben a cikkben azt járjuk körül, mit árul el ez a kísérlet arról, hogyan jut el az oxigén a sejtjeinkig, mit kezd vele a mitokondrium, és miért éppen az oldott oxigén a hiperbár oxigénterápia (HBOT, Hyperbaric Oxygen Therapy) kulcsa. Egy gyakori tévhitet is tisztázunk: a hemoglobin soha nem jut be a sejtbe.
Az oxigén útja: a hemoglobin nem lép be a sejtbe
 |
| Azn oxigén útja a mitokondriumig |
A vér két módon szállít oxigént. A nagyobbik rész a vörösvértestekben lévő hemoglobinhoz kötődik: egy deciliter vérben, 15 gramm hemoglobinnal, körülbelül 20 ml oxigén. A kisebbik rész fizikailag oldva van a plazmában, normál levegő belégzésekor deciliterenként csak kb. 0,3 ml. Az oldott mennyiséget a Henry-törvény szabja meg: minél nagyobb az oxigén parciális nyomása (az a nyomásrész, amely egy gázkeverékben az oxigénre jut), annál több oldódik fel.
A hemoglobin a vörösvértestben marad, a vörösvértest pedig az érben. A szövetek kapillárisaiban a hemoglobin leadja az oxigént, mert ott alacsonyabb az oxigén parciális nyomása, magasabb a szén-dioxid és savasabb a környezet. Ezt Bohr-effektusnak nevezzük. A leváló oxigén először a plazmában oldódik fel, majd diffúzióval, vagyis a nyomáskülönbség által hajtott passzív mozgással jut át az érfalon, a sejtek közötti téren*, a sejtmembránon és a sejt belsején, végül a mitokondrium két membránján.
Ebből következik a lényeg: a mitokondriumhoz mindig egyedi, oldott O2 molekula érkezik. A sejt nem tudja, hogy az oxigén korábban hemoglobinon utazott, vagy eleve a plazmában volt. Ezért lehet az oldott oxigén, megfelelő mennyiségben, önmagában is elegendő.
Boerema kísérlete: élet vér nélkül
Boerema egy olyan korban dolgozott, amikor a szív-tüdő gép még nem volt általánosan elérhető. Azt kereste, hogyan lehetne a szervezetet elég hosszú ideig oxigénnel ellátni ahhoz, hogy nyitott szívműtétet lehessen végezni.
A kísérletben egészséges malacokból eltávolították a vért, és plazmaszerű oldattal pótolták. A hemoglobinszint így 0,4–0,5 g/dl körülire esett, ami normál körülmények között összeegyeztethetetlen az élettel (a normál érték 12–16 g/dl). Ezután az állatokat 3 ATA nyomású kamrába helyezték, ahol 100%-os oxigént lélegeztek. Az ATA (atmosphere absolute) az abszolút nyomás mértékegysége, 1 ATA a tengerszinti légnyomás.
Az állatok a kamrában életben maradtak, kizárólag a plazmában oldott oxigénből. Ezután visszakapták a saját vérüket, és károsodás nélkül felépültek. A kísérletet később megismételték: egy amerikai munkacsoport 55 percig tartotta a malacokat 3 ATA nyomáson, és közben az agyszövet oxigénszintjét is mérte. A normál légköri nyomáson tartott, szintén 100% oxigént kapó állatoknál az agyszöveti oxigénnyomás 35 Hgmm-ről nullára esett, a 3 ATA nyomáson tartottaknál viszont 35 Hgmm-en maradt.
A számok: mennyi oxigén oldódik fel?
Minden higanymilliméter (Hgmm) artériás oxigénnyomás 0,003 ml oxigént old fel egy deciliter plazmában. Ebből egyszerűen kiszámolható, mit jelent a nyomás és az oxigénkoncentráció emelése. Az alábbi értékek kerekített, tankönyvi becslések, egyénenként eltérhetnek.
Belélegzett gáz és nyomás | Artériás O2 nyomás (Hgmm, kb.) | Oldott O2 (ml/dl, kb.) |
|---|---|---|
Levegő, 1 ATA | 100 | 0,3 |
100% oxigén, 1 ATA | 600 | 1,8 |
100% oxigén, 2 ATA | 1400 | 4,2 |
100% oxigén, 2,5 ATA | 1800 | 5,4 |
100% oxigén, 3 ATA | 2200 | 6,6 |
Összehasonlításul: a szervezet nyugalomban átlagosan körülbelül 5 ml oxigént von ki minden deciliter átáramló vérből. A szervek között nagy a különbség: a vese kb. 2 ml-t, az agy kb. 6,5 ml-t, a szívizom kb. 10,5 ml-t. Vagyis 3 ATA nyomáson az oldott oxigén önmagában fedezheti a nyugalmi szükséglet nagy részét (Hemoglobin nélkül). Ez Boerema kísérletének fiziológiai magyarázata.
A plazma ráadásul oda is eljut, ahová a vörösvértest nem fér be: duzzadt, beszűkült vagy sérült hajszálerekbe. A magasabb kiinduló nyomás miatt az oxigén messzebbre is diffundál az érből. Ezt a Krogh-henger modell írja le, amely szerint minden kapilláris körül csak egy bizonyos sugarú szövethenger (réteg) kap elegendő oxigént. HBOT alatt ez a sugár megnő.
A végállomás: a mitokondrium
Az oxigén útja a mitokondrium belső membránjában ér véget, az elektrontranszport-láncban (electron transport chain). A táplálékból származó energia NADH és FADH2 molekulák formájában érkezik ide; ezek elektronokat szállítanak. Az elektronok négy fehérjekomplexen haladnak végig, és közben protonokat pumpálnak a membránon kívülre. Az így felépülő nyomás hajtja az ATP-szintázt, amely a sejt energiahordozóját, az ATP-t (adenozin-trifoszfát) állítja elő.
A lánc végén, a IV. komplexnél (citokróm c-oxidáz) az oxigén veszi fel az elektronokat: egy O2 molekula négy elektronnal és négy protonnal két vízmolekulává alakul. Ez az egyetlen pont, ahol a szervezet ténylegesen „elhasználja” a belélegzett oxigént. Ha nincs oxigén, az elektronok feltorlódnak, a lánc leáll, és az ATP-termelés a töredékére esik.
A citokróm c-oxidáz rendkívül erősen köti az oxigént, ezért nagyon alacsony oxigénszint mellett is teljes sebességgel dolgozik. A gond tehát ritkán az, hogy a mitokondrium „rosszul bánik” az oxigénnel. A gond az, hogy az oxigén el sem jut hozzá, mert a hajszálér túl messze van, elzáródott, vagy nincs elég vérátáramlás. Itt segít a plazmában oldott, nagy nyomású oxigén.
Egy érdekesség: a mitokondrium ősét egy baktérium adta, amely 1,5–2 milliárd éve költözött be egy ősi sejtbe (vagy az ősi sejt felfalta, csak nem emésztette meg). Ma azonban már nem önálló élőlény. Saját DNS-e csak 13 fehérjét kódol, a működéséhez szükséges több mint ezer fehérje szinte mind a sejtmagból érkezik (szimbiózis alakult ki, a gazdasejt tartja fenn az mitokondrium életét, ez cserébe energiát szolgáltat a gazdasejtnek).
Mennyi ideig bírja a sejt oxigén nélkül?
Oxigén nélkül a sejt anaerob glikolízisre (tejsavas erjedés) vált, amely egy glükózmolekulából csak 2 ATP-t nyer a mitokondriális út kb. 30–32 ATP-je helyett. A tűrőképesség ezért szövetenként nagyon különböző. Az agy a legérzékenyebb: teljes oxigénhiányban kb. 10 másodperc alatt elvész az eszmélet, és normál testhőmérsékleten 4–6 perc után kezdődik visszafordíthatatlan károsodás. A szívizomnál a klasszikus állatkísérletek szerint kb. 20 perc vérellátás-hiány még visszafordítható, 40–60 perc után viszont terjedő elhalás indul.
Meglepő, de a mitokondriumot gyakran nem maga az oxigénhiány károsítja a legjobban, hanem az oxigén hirtelen visszatérése. Ezt ischaemia-reperfúziós károsodásnak nevezzük (ischaemia: elégtelen vérellátás; reperfúzió: a keringés helyreállása). Chouchani és munkatársai 2014-ben a Nature folyóiratban kimutatták, hogy oxigénhiányban szukcinát halmozódik fel a sejtben. Amikor az oxigén visszatér, ez a felhalmozódott szukcinát gyorsan elég, és a mitokondrium hirtelen nagy mennyiségű reaktív oxigénfajtát (ROS, reactive oxygen species) termel.
A HBOT szakirodalma szerint a hiperbár oxigén mérsékelheti a reperfúziós károsodást. Ez az egyik alapja annak, hogy a kezelést szakkórházakban többek között szén-monoxid-mérgezésnél és bizonyos keringési sérüléseknél alkalmazzák.
Boerema öröksége a mai orvoslásban
A „vér nélküli élet” elve ma is élő klinikai gyakorlat. A kivételes vérveszteségből adódó vérszegénység (exceptional blood loss anemia) a HBOT elfogadott indikációi közé tartozik. Ide azok a betegek tartoznak, akik súlyos vérvesztés után orvosi vagy vallási okból nem kaphatnak vérátömlesztést.
Egy 2000-ben az Anesthesiology folyóiratban közölt esetben egy 20 éves nő hemoglobin szintje súlyos vérzés miatt 3,5 g/dl-re esett, de vallási okból nem fogadhatott el transzfúziót. A vérzés csillapítása mellett hiperbár oxigénnel és támogató kezeléssel kezelték. A 8. napon hazabocsátották, és a hemoglobinszintje a 18. napra 8,4 g/dl-re emelkedett.
Egy 2024-es áttekintés a Frontiers in Medicine folyóiratban összefoglalja: rövid ideig, vörösvértestek nélkül is, a hiperbár oxigén biztonságosan fedezheti egy nyugalomban lévő ember oxigénigényét a plazmán keresztül. A szerzők hangsúlyozzák, hogy az oxigén toxicitása szakaszos alkalmazással, levegőszünetekkel elkerülhető.
Mit jelent ez a gyakorlatban?
Boerema kísérletének legfontosabb tanulsága, hogy a sejt oxigénellátását nem csak a hemoglobin határozza meg. A hemoglobin normál levegőn is 97–98%-ban telített, így több oxigént már nem tud felvenni. Ami nő a nyomással, az a plazmában oldott oxigén, és ez jut el a legnehezebben ellátható szövetekbe is.
Az EXAGENE által forgalmazott 2 és 2,5 ATA nyomású kamrákban az oxigént koncentrátor állítja elő, jellemzően kb. 93%-os tisztasággal. Ennél az oldott oxigén mennyisége valamivel elmarad a fenti, 100%-os oxigénre számolt táblázat értékeitől, de ugyanabba a nagyságrendbe esik: a normál levegőhöz képest többszörös.
Fontos különbséget tenni: Boerema kísérlete és a vérszegénység kezelése szakkórházi, orvosi felügyelet melletti beavatkozás 2,5–3 ATA nyomáson. Az otthoni kamra a regenerációt, a jólétet és a longevity-szemléletű életmódot támogatja, nem helyettesíti az orvosi ellátást. Ha valaki betegség miatt gondolkodik HBOT-n, előbb beszéljen az orvosával.
Források
- Boerema I, Meijne NG, Brummelkamp WK, et al. Life without blood. J Cardiovasc Surg. 1960;1:133–146.
- Hyperbaric oxygen therapy: a comprehensive review – Frontiers in Medicine, 2024
- Greensmith JE. Hyperbaric oxygen reverses organ dysfunction in severe anemia. Anesthesiology. 2000
- Exceptional blood loss anaemia – Slark Hyperbaric Unit, Te Whatu Ora Waitematā
- Life without blood: Boerema kísérletének megismétlése, agyszöveti oxigénméréssel – J Blood Disorders Transf, konferencia-előadás
- Top Ten Things You Need to Know About HBOT #9: Oxygen's Life-Giving Qualities – Today's Wound Clinic
- Chouchani ET, et al. Ischaemic accumulation of succinate controls reperfusion injury through mitochondrial ROS. Nature. 2014;515:431–435.
- Krogh A. The number and distribution of capillaries in muscles with calculations of the oxygen pressure head necessary for supplying the tissue. J Physiol. 1919;52:409–415
A sejtek közötti tér két fő részből áll. Az egyik az intersticiális folyadék (interstitial fluid). Ez a vérplazmából szűrődik ki a hajszálerek falán át, és ebben oldva halad tovább az oxigén a sejtek felé. A másik az extracelluláris mátrix (ECM, extracellular matrix). Ez egy szerkezeti háló kollagénrostokból, elasztinból, proteoglikánokból és hialuronsavból, és ez adja a szövet vázát. A „Tumor – Extracelluláris mátrix – HBOT” cikkben is erről volt szó. Az oxigén tehát az intersticiális folyadékban diffundál, az extracelluláris mátrix rostjai között.
Ennek gyakorlati jelentősége is van a cikk szempontjából. Ahol az extracelluláris mátrix megvastagszik vagy túl sűrű lesz, például hegszövetben, fibrózisban (kóros kötőszövet-felszaporodás) vagy a tumorok sűrű kötőszöveti állományában, ott megnő a diffúziós távolság a hajszálér és a sejt között. Ilyenkor válik igazán fontossá a HBOT által megemelt kiinduló oxigénnyomás.
A fenti cikk sokkal részletesebben - szakértőknek
A hemoglobin soha nem jut be a sejtbe. A hemoglobin a vörösvértestben marad, a vörösvértest pedig az érpályában. Az oxigén mindig ugyanúgy éri el a mitokondriumot: egyedi, oldott O2 molekulaként, diffúzióval. A különbség csak abban van, hogy honnan indul. Ez a megállapítás a HBOT (Hyperbaric Oxygen Therapy, hiperbár oxigénterápia) megértése szempontjából is alapvető.
Az oxigén útja
Normál körülmények között a vér oxigénjének körülbelül 98–99%-át a hemoglobin szállítja. Egy deciliter artériás vérben nagyjából 20 ml oxigén kötődik hemoglobinhoz, és csak körülbelül 0,3 ml van fizikailag oldva a plazmában. Ez utóbbit a Henry-törvény határozza meg: minden higanymilliméter (Hgmm) parciális nyomás 0,003 ml oxigént old fel deciliterenként.
A kapillárisban a következő történik. A szövet felé haladva csökken az oxigén parciális nyomása, emelkedik a CO2 szintje, és csökken a pH. Ilyenkor a hemoglobin oxigénkötő képessége gyengül. Ezt Bohr-effektusnak hívjuk, és a 2,3-BPG (2,3-biszfoszfoglicerát) nevű molekula is erősíti. A felszabaduló oxigén először feloldódik a plazmában, aztán áthalad a kapilláris falán, a sejtek közötti téren (interstitium), a sejtmembránon és a citoplazmán. Végül átjut a mitokondrium külső és belső membránján is. Izomsejtekben a mioglobin (az izom saját oxigénkötő fehérjéje) segíti ezt a belső szállítást (facilitated diffusion). Az út minden lépése passzív diffúzió, amit a nyomáskülönbség hajt: magasabb parciális nyomásról alacsonyabb felé.
A mitokondrium tehát nem tudja megkülönböztetni, hogy az oxigén eredetileg hemoglobinról vált le, vagy már eleve a plazmában volt oldva. Mire odaér, mindkettő ugyanolyan szabad O2 molekula.
Mit változtat ezen a HBOT?
A HBOT a plazmában oldott oxigén mennyiségét növeli meg drasztikusan, a hemoglobinét gyakorlatilag nem, hiszen az már normál levegőn is 97–98%-ban telített. Ha valaki 2 ATA nyomáson közel tiszta oxigént lélegez be, az artériás oxigén parciális nyomás 1300–1400 Hgmm körül lehet. Ez körülbelül 4 ml/dl oldott oxigént jelent, ami nagyjából a tizenháromszorosa a normálisnak. A hiperbár kamrák koncentrátoros rendszerei kb. 93%-os oxigénjével ez valamivel kevesebb, de ugyanebben a nagyságrendben marad. Nyugalomban a szövetek nagyjából 5 ml oxigént vonnak ki deciliterenként, vagyis 2,5–3 ATA nyomáson az oldott oxigén önmagában közel fedezi az alapigényt.
Erre van egy klasszikus kísérlet, amit érdemes ismerned. Boerema és munkatársai 1960-ban publikálták a „Life without blood” című tanulmányt. Malacoknál a vért szinte teljesen sóoldatra cserélték, gyakorlatilag hemoglobin nélkül. Az állatok 3 ATA nyomású tiszta oxigénben életben maradtak, kizárólag a plazmában oldott oxigénből. Ez a HBOT egyik történelmi alapköve.
A gyakorlati jelentősége a diffúziós távolság. Ezt a Krogh-henger modell írja le: egy kapilláris körül csak bizonyos sugáron belül jut el elég oxigén a sejtekhez. Magasabb kiinduló parciális nyomásnál az oxigén messzebbre diffundál. Ez számít ott, ahol a kapillárishálózat sérült vagy ritka, például sebekben, besugárzott szövetben vagy tumorok hipoxiás magjában.
Mit csinál a mitokondrium az oxigénnel?
A mitokondrium belső membránjában működik az elektrontranszport-lánc (electron transport chain, ETC). A tápanyagokból a citrátkörön keresztül NADH és FADH2 keletkezik. Ezek nagy energiájú elektronokat szállító molekulák, és leadják az elektronjaikat az I. és II. komplexnek. Az elektronok ezután a III. komplexen és a citokróm c-n át eljutnak a IV. komplexhez, a citokróm c-oxidázhoz.
Az oxigén az utolsó elektronakceptor (terminal electron acceptor). A citokróm c-oxidáz egy O2 molekulát négy elektronnal és négy protonnal két vízmolekulává redukál. Ez az egyetlen lépés, ahol a szervezet „elhasználja” az oxigént. Az elektronok vándorlása közben az I., III. és IV. komplex protonokat pumpál a belső membránon kívülre. Az így létrejövő elektrokémiai gradiens hajtja az ATP-szintázt (V. komplex), amely ATP-t állít elő. Ha nincs oxigén a lánc végén, az elektronok feltorlódnak, a teljes lánc leáll, és az ATP-termelés összeomlik.
Fontos részlet, hogy a citokróm c-oxidáz rendkívül erősen köti az oxigént. Akkor is szinte teljes sebességgel dolgozik, amikor a mitokondrium körüli parciális nyomás csak 1 Hgmm körüli. Ezért a mitokondrium nagyon hipoxiás környezetben is működik, egészen addig, amíg ténylegesen el nem fogy az oxigén. A lánc mellékterméke a ROS (reactive oxygen species, reaktív oxigénfajták), főleg az I. és III. komplexnél. Ez kapcsolódik az „oxigén paradoxon” témához is.
Meddig bírja oxigén nélkül?
Erre sok kutatás született, és a válasz erősen szövetfüggő. Ennek oka nem maga a mitokondrium, hanem a sejt energiatartaléka és anyagcsere-igénye. Oxigén nélkül a sejt átáll anaerob glikolízisre, ami glükózonként csak 2 ATP-t ad a körülbelül 30–32 helyett, és tejsavat termel.
Az agy a legérzékenyebb. Teljes oxigénhiánynál körülbelül 10 másodperc alatt elvész az eszmélet, és normál testhőmérsékleten 4–6 perc után kezdődik visszafordíthatatlan neuronkárosodás. A szívizomra a klasszikus kutatások Jennings és Reimer kutyakísérletei a hetvenes–nyolcvanas évekből. Ezek szerint kb. 20 perc teljes ischaemia (vérellátás-hiány) még visszafordítható, 40–60 perc után viszont hullámfrontszerűen terjedő elhalás indul. A vese meleg ischaemiás tűréshatára 30 perc körül van, a vázizomé órákban mérhető. Ezért lehet műtéteknél kb. 2 órán át leszorítót (tourniquet) használni.
Van egy meglepő és nagyon fontos felismerés. A mitokondriumot nem maga az oxigénhiány teszi tönkre legnagyobb mértékben, hanem az oxigén visszatérése. Ezt ischaemia-reperfúziós károsodásnak hívjuk. Chouchani és munkatársai 2014-ben a Nature-ben kimutatták, hogy oxigénhiányban a II. komplex visszafelé kezd működni, és szukcinát halmozódik fel. Amikor az oxigén visszatér, ez a szukcinát gyorsan oxidálódik, és hatalmas ROS-löketet okoz az I. komplexen keresztül. Közben a kalcium-túltelítődés megnyitja az mPTP-t (mitochondrial permeability transition pore, egy membránpórus), ami a mitokondrium duzzadásához és sejthalálhoz vezet. Egy másik érdekes jelenség: oxigénhiányban az ATP-szintáz megfordul, és ATP-t bont, hogy fenntartsa a membránpotenciált. Az IF1 nevű gátlófehérje próbálja megakadályozni, hogy ez feleméssze a maradék ATP-t.
Az állatvilágban vannak extrém példák is. A kárász (Carassius carassius) jéggel borított tavakban hónapokig kibírja oxigén nélkül, mert a tejsavat etanollá alakítja és kiüríti a kopoltyúján. A díszes ékszerteknős (Trachemys scripta) hidegben szintén hónapokig túléli az anoxiát. A csupasz földikutya Park és munkatársai 2017-es Science-cikke szerint 18 percig bírta teljes oxigénhiányban, mert fruktóz-alapú anaerob anyagcserére vált.
„Hiszen ez egy baktérium!”
Ez egy gyakori leegyszerűsítés. A mitokondrium valaha baktérium volt, ma már nem az. Az endoszimbionta elmélet szerint, amelyet Lynn Margulis tett ismertté 1967-ben, körülbelül 1,5–2 milliárd éve egy alfa-proteobaktérium beköltözött egy ősi gazdasejtbe. Ez az eredet valódi és jól bizonyított: a mitokondriumnak ma is saját, kör alakú DNS-e van, kettős membránja, és bakteriális típusú riboszómái. Ezért gátolnak egyes antibiotikumok mitokondriális fehérjeszintézist is.
Az evolúció során azonban a gének túlnyomó része átkerült a sejtmagba. Az emberi mitokondriális DNS mindössze 16 569 bázispár hosszú, és csak 13 fehérjét kódol. A mitokondrium működéséhez szükséges kb. 1100–1500 fehérje több mint 99%-a a sejtmagban kódolódik, és kívülről importálódik. A mitokondrium tehát önállóan nem életképes. Organellum (sejtszervecske), nem szabadon élő élőlény, ezért „baktériumként” nem lehet túlélési idejét vizsgálni.
Az ősi örökség ennek ellenére máig érdekes. Az ős valószínűleg fakultatív anaerob volt, vagyis oxigénnel és nélküle is tudott élni. Egyes mai élőlényekben, például az orsóféregben (Ascaris), a mitokondrium oxigén helyett fumarátot használ végső elektronakceptorként, rodokinon segítségével. Az emlős mitokondrium hipoxiában a fumarát visszafelé redukálásával és a szukcinát felhalmozásával ennek a képességnek egy maradványát használja. Ez éppen az, ami a reperfúziós károsodást okozza. Egyes egysejtűekben a mitokondrium hidrogénoszómává vagy mitoszómává alakult, és egy faj (Monocercomonoides, Karnkowska és mtsai., 2016) teljesen elvesztette.
Megjegyzések
Megjegyzés küldése