Как птицы обходятся без кровеносных сосудов в сетчатке

Нервная ткань обладает высокими метаболическими потребностями, из-за чего она крайне уязвима к кислородному голоданию. Недостаток кровоснабжения быстро приводит к необратимому повреждению нервной ткани. Сетчатка глаза — один из наиболее метаболически активных типов нервной ткани. У многих животных она снабжена дополнительными кровеносными сосудами. Однако сетчатка птиц полностью лишена внутренних кровеносных сосудов, и поднимает вопрос о том, как ткань с настолько высокими метаболическими потребностями может функционировать без кровоснабжения. Авторы статьи в Natur  пришли к выводу, что в ходе эволюции сетчатка птиц приобрела способность нормально работать в условиях постоянной аноксии, переключив метаболизм на анаэробный гликолиз.

Отсутствие кровеносных сосудов особенно необычно на фоне того, что у птиц сетчатка толще, чем у млекопитающих. Самый яркий пример — сетчатка обыкновенного змееяда (Circaetus gallicus). Ее толщина составляет 630 мкм, что более чем вчетверо превышает предел диффузии кислорода. Ограничение диффузии усугубляется полетами на больших высотах: в 10 км над уровнем моря парциальное давление кислорода в артериальной крови составляет всего 27% от того же показателя на уровне моря. 

Ученые измерили парциальное давление кислорода в глазах зебровых амадин с помощью специальных микросенсоров. Во время измерения анестезированным птицам проводили искусственную вентиляцию легких нормальным воздухом. В таких условиях авторы статьи обнаружили резкий спад парциального давления кислорода в сетчатке — в ее внутренних слоях наблюдалась полная аноксия. 

Варьируя подачу кислорода вплоть до чистого O₂, ученые показали, что внутренние слои сетчатки остаются в состоянии аноксии до тех пор, пока парциальное давление кислорода не превысит верхнюю границу нормы приблизительно в 1,5 раза. Это позволяет предположить, что при всех нормальных физиологических условиях внутренние слои сетчатки не снабжаются кислородом. 

Однако каким образом клетки сетчатки способны производить достаточно энергии в таких условиях? Чтобы это выяснить, ученые применили метод пространственной транскриптомики, а затем сопоставили полученные данные с градиентом оксигенации тех же участков. Гены, связанные с гликолизом, активно экспрессировались в аноксических внутренних слоях сетчатки, но имели низкий уровень экспрессии во внешних, где уровень оксигенации был выше. Напротив, гены, связанные с окислительным фосфорилированием и β-окислением жирных кислот, слабо экспрессировались во внутренних слоях сетчатки по сравнению с внешними.

Авторы предположили, что основным путем выработки АТФ во внутренних слоях сетчатки служит анаэробный гликолиз. Однако из-за его низкой производительности ткани сетчатки должны усиленно поглощать глюкозу, а ее доступ также ограничен в связи с отсутствием внутренних кровеносных сосудов. Кроме того, для поддержания гомеостаза при анаэробном метаболизме необходимо обеспечить удаление лактата.

Введя в мозг зебровых амадин ¹⁴C-меченую дезоксиглюкозу, исследователи подтвердили, что сетчатка активно ее поглощает — примерно в 2,56 раз интенсивнее, чем клетки мозга в среднем.

Проанализировав транскриптом в поисках механизмов, с помощью которых сетчатка снабжается глюкозой и избавляется молочной кислоты, ученые обнаружили несколько генов, экспрессия которых была повышена в глазном гребне (pecten oculi). Это уникальная для птиц складчатая структура, расположенная под сетчаткой и содержащая густую сеть кровеносных сосудов. 
В клетках гребня авторы выявили высокий уровень глюкозного транспортера 1 (GLUT1) отвечающего за трансмембранный перенос глюкозы. Также они обнаружили градиент концентрации глюкозы — от 25,9 ммоль/л в крови сосудов гребня до 14,9 ммоль/л в стекловидном теле. По-видимому, последнее выполняет функцию резервуара глюкозы для сетчатки, а транспорт глюкозы обеспечивается GLUT1. 

Также в гребне был повышен уровень экспрессии MCT1, участвующего в транспорте лактата, а концентрация лактата в стекловидном теле была намного выше, чем в плазме крови. По-видимому, молочная кислота высвобождается из сетчатки в стекловидное тело и впоследствии выводится в кровеносные сосуды гребня.

Однако оставалось неясным, как происходит витреоретинальный (между стекловидным телом и сетчаткой) обмен глюкозой и лактатом. Чтобы выяснить это, исследователи составили транскриптомный атлас сетчатки зебровых амадин на уровне единичных клеток. Его дальнейшее изучение указало на важную роль клеток Мюллера — это глиальные клетки сетчатки, которые простираются от внутренней пограничной мембраны, контактирующей со стекловидным телом, до внешней. Эти клетки активно экспрессируют MCT1 и GLUT1, причем оба белка в большом количестве присутствуют в концевых отростках со стороны внутренней пограничной мембраны. Судя по всему, именно клетки Мюллера обеспечивают обмен метаболитов на границе между сетчаткой и стекловидным телом. 

Наконец, авторы постарались ответить на вопрос, как толерантность сетчатки к аноксии могла развиться в ходе эволюции. Они провели сравнительный анализ сетчатки нептичьих рептилий (то есть ящериц, черепах и крокодилов), кур и голубей в дополнение к зебровым амадинам. Оказалось, что у всех птиц только 0,75–5,1% от общего потока кислорода в сетчатке доставляется через глазной гребень, а 34–57% сетчатки подвергается серьезной гипоксии (парциальное давление кислорода — менее 5 мм рт. ст.). У рептилий аноксия сетчатки не была выявлена. 

Исследователи предлагают наиболее логичное, на их взгляд, объяснение: толерантность сетчатки к аноксии возникла в кроновой группе птиц после отделения от крокодилов. Параллельно с этим, по-видимому, происходило утолщение сетчатки, связанное с более высокой плотностью фоторецепторов и ганглиозных клеток. 

Работа демонстрирует, что сетчатка птиц обладает неожиданной для нервной ткани особенностью — за счет анаэробного гликолиза она крайне толерантна к аноксии. Это отличает ее от типичной нервной ткани, которая обычно крайне уязвима к дефициту кислорода, особенно у теплокровных животных. Вместе с тем такая особенность, по-видимому, позволяет птицам избежать компромисса между интенсивным кровоснабжением сетчатки и доступом света к ее фоторецепторам, которому может мешать плотная сосудистая сеть. 

Клетки хряща переживают гипоксию благодаря собственному гемоглобину

Почему птицам не вредит высокий уровень сахара в крови?