Dwutlenek węgla może napędzać uszkodzenia płuc w POChP

Nowe badania przeprowadzone przez naukowców z Northwestern Medicine podważają dotychczasowe założenia dotyczące przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (POChP). Wyniki pracy opublikowane w czasopiśmie The Journal of Clinical Investigation wskazują, że przewlekła hiperkapnia, czyli podwyższony poziom dwutlenku węgla (CO₂) we krwi, może aktywnie wpływać na strukturę płuc i pogarszać przebieg choroby.

CO₂ nie tylko jako produkt uboczny oddychania

POChP pozostaje jedną z głównych przyczyn zgonów i niepełnosprawności na świecie. Dotychczas uważano, że choroba ta charakteryzuje się nieodwracalnym ograniczeniem przepływu powietrza i destrukcją tkanki płucnej, a hiperkapnia jest jedynie jej skutkiem. Zespół kierowany przez dr. Masahiko Shigemurę z Northwestern University sugeruje jednak, że podwyższony poziom CO₂ może być czynnikiem przyczynowym – aktywnym uczestnikiem patogenezy choroby.

„Dwutlenek węgla tradycyjnie postrzegano jako prosty produkt uboczny oddychania. Z tego powodu jego podwyższony poziom – tzw. hiperkapnia – bywał tolerowany u pacjentów z chorobami płuc, w ramach strategii klinicznej znanej jako permisywna hiperkapnia. Nasz zespół od lat kwestionuje to podejście” – wyjaśnia dr Shigemura.

Doświadczenia na myszach i ludzkich tkankach płuc

Badacze przeprowadzili serię eksperymentów na myszach i ludzkich fragmentach płuc, eksponując je na podwyższone stężenia CO₂ przy zachowanym prawidłowym poziomie tlenu i pH. Nawet bez oznak zapalenia czy destrukcji tkanki, w płucach pojawiły się znaczące zmiany strukturalne: pogrubienie mięśni gładkich dróg oddechowych, wzrost odkładania macierzy pozakomórkowej (ECM) oraz przebudowa naczyń płucnych – wszystkie będące charakterystycznymi cechami POChP.

Zmiany te nie wynikały ze wzrostu liczby komórek, lecz z ich powiększenia (hipertrofii). Dodatkowo fibroblasty płucne wystawione na działanie wysokiego CO₂ zaczynały przypominać miofibroblasty – komórki typowo związane z procesem włóknienia i sztywnieniem tkanek. Analiza genetyczna ujawniła zwiększoną ekspresję genów powiązanych z macierzą pozakomórkową, w tym LTBP2, będącego markerem aktywności miofibroblastów.

Badania z wykorzystaniem ludzkich próbek

Aby sprawdzić znaczenie tych obserwacji u ludzi, naukowcy hodowali precyzyjnie pocięte fragmenty płuc pochodzących od zdrowych dawców i pacjentów z POChP w warunkach hiperkapnii. Próbki od chorych wykazały jeszcze silniejsze zmiany przebudowy – większe pogrubienie mięśni gładkich i intensywniejsze odkładanie kolagenu.

Odwracalność zmian i znaczenie terapeutyczne

Co istotne, zmiany wywołane przez CO₂ okazały się częściowo odwracalne. U myszy, które po ekspozycji na CO₂ wróciły do normalnych warunków, zaobserwowano zmniejszenie grubości mięśni i ilości ECM. Odkrycie to sugeruje, że terapie ukierunkowane na obniżenie poziomu CO₂ – np. za pomocą nieinwazyjnej wentylacji – mogą ograniczać postęp uszkodzeń płuc.

„Nasze wyniki pokazują, że CO₂ nie jest biernym produktem wymiany gazowej, ale aktywnym czynnikiem napędzającym chorobę płuc. To potencjalny cel dla przyszłych terapii” – podkreśla dr Shigemura.

Wsparcie dla aktualnych wytycznych

Wyniki badania dostarczają biologicznego uzasadnienia dla zaleceń American Thoracic Society i European Respiratory Society, które w latach 2019–2020 rekomendowały stosowanie nieinwazyjnej wentylacji u stabilnych pacjentów z POChP i hiperkapnią. Choć skuteczność tej interwencji klinicznej była już znana, mechanizmy leżące u jej podstaw pozostawały nie do końca wyjaśnione.

Możliwy związek z nadciśnieniem płucnym i środowiskiem

Zaskakującym odkryciem były zmiany strukturalne w naczyniach krwionośnych płuc, które sugerują, że hiperkapnia może również uczestniczyć w rozwoju nadciśnienia płucnego.

Zdaniem Shigemury, wnioski z badań mają także wymiar środowiskowy: „Choć poziomy atmosferycznego CO₂ są znacznie niższe niż w organizmie człowieka, ich stały wzrost może mieć długofalowe konsekwencje dla zdrowia. Nasze wyniki wskazują, że podwyższony CO₂ to niedoceniany czynnik ryzyka – wpływający nie tylko na chorych z POChP, ale potencjalnie także na populację ogólną”.

Badania prowadzone były pod kierunkiem dr. Ankit Bharata, kierownika Oddziału Chirurgii Klatki Piersiowej, profesora chirurgii im. Harolda L. i Margaret N. Method, oraz dyrektora Canning Thoracic Institute w Northwestern Medicine.

Projekt był finansowany przez Department of Veterans Affairs (I01CX002350) oraz National Institutes of Health (HL147070, HL173987, HL131745, HL145478, HL147290, HL147575, HL173940, P01HL169188).

Źródło: The Journal of Clinical Investigation, Carbon Dioxide May Drive Lung Damage in COPD
DOI: https://doi.org/10.1172/JCIXXXXXX