החלבון שמציל חיים

פחמן חד־חמצני (CO) הוא “הרעל השקט” – אחראי לאלפי מקרי הרעלה ברחבי העולם, לרוב בגלל שאיפת תוצרים של אמצעי חימום או פליטת עשן בחלל סגור. למרות חשיבותה של הרעלת פחמן חד־חמצני, אין לרפואה אין עד היום טיפול יעיל ומהיר להתמודדות עמה. כעת מציעים חוקרים גישה חדשה: חלבון שיוצר בהנדסה גנטית ומסוגל ללכוד את הגז מהדם ולפנות אותו בבטחה מחוץ לגוף. בניסויים בעכברים החלבון פעל בתוך דקות, ולאחר מכן נמצא בשתן כשהוא עדיין קשור לגז – רמז ליכולת פינוי יעילה ובטוחה מהגוף.

למה פחמן חד־חמצני מסוכן?

לפחמן חד־חמצני אין צבע, ריח או טעם, לכן קשה לגלות אותו בזמן. הוא נוצר משריפה לא מלאה של דלקים כמו עץ, פחם או בנזין, למשל במנועי רכב, תנורים, קמינים, גנרטורים ואף במנגלים. כשהוא מצטבר במרחבים סגורים ללא אוורור, הרמות שלו עלולות לעלות במהירות ולהפוך למסכנות חיים.
כאשר CO נכנס לדם הוא נקשר להמוגלובין – החלבון שמעביר חמצן – בזיקה (אפיניות) גבוהה פי מאות מזו של החמצן עצמו. כך נוצר קרבוקסי־המוגלובין (HbCO), שמונע מהחמצן להגיע לרקמות. בנוסף, הקשירה של CO משנה את מבנה ההמוגלובין ומעלה את הזיקה שלו לחמצן. כתוצאה מכך גם ההמוגלובין שלא נקשר ל-CO מחזיק את החמצן בחוזקה ואינו משחרר אותו ביעילות לרקמות. שילוב זה, של ירידה באספקת החמצן ושל הפגיעה בשימוש בחמצן שכן מגיע, הופך את ההרעלה בפחמן חד־חמצני למסוכנת במיוחד, בעיקר באיברים הזקוקים לכמות גדולה של חמצן, כמו הלב והמוח. לכן הרעלה כזו עלולה להוביל לאובדן הכרה ואף למוות.
כיום, גם כאשר ההרעלה מזוהה בזמן, עומדים לרשות הרופאים כיום רק פתרונות חלקיים: מתן חמצן בריכוז גבוה, ולעיתים טיפול בתא לחץ שנועד להגדיל את ריכוז החמצן בדם ולזרז את סילוק הגז מהרקמות. טיפולים אלה יכולים להציל חיים אך אינם מונעים בהכרח את הנזקים הנלווים, שכן פינוי הגז מהגוף נמשך שעות ארוכות.

איך פותח החלבון החדש?

השראה לחלבון הגיע דווקא מעולם החיידקים. לחיידקים מסוימים יש חלבון בשם RcoM – קיצור של ‏Regulator of CO Metabolism – חלבון בקרה שמזהה CO גם בריכוזים נמוכים. החוקרים, בהובלת מדענים מאוניברסיטת פיטסברג בארצות הברית, בחרו את החלק בחלבון שאחראי לקשירת גזים – אזור המכיל קבוצה כימית בשם heme (הֵם), המסוגלת לקשור מולקולות כמו חמצן ופחמן חד־חמצני. את המקטע הזה חיברו לחלק מחלבון המוגלובין של יונקים, המשמש באופן טבעי לנשיאת חמצן בדם, וכך יצרו גרסה שיכולה לפעול גם בגוף חי.
בהמשך הם החליפו שלוש חומצות אמיניות שנטו ליצור קשרים לא רצויים בין מולקולות, ובכך ייצבו את המבנה ושיפרו את עמידותו בפני תהליכים כימיים שעלולים לפרק חלבונים בסביבה עתירת חמצן כמו הדם. כך נוצר החלבון המהונדס RcoM-HBD-CCC – קטן ויציב יותר מחלבוני נשא טבעיים, ובעל עמידות גבוהה המאפשרת לו לפעול בתנאים הביוכימיים של הגוף.
ייחודו של החלבון הוא בדיוק הגבוה שלו: הוא נקשר ל־CO בזיקה חזקה פי 50 מזו של ההמוגלובין, והזיקה שלו ל־CO גדולה פי 190 אלף מאשר לחמצן. קצב הקשירה והשחרור שלו מותאם היטב: חמצן שנקשר אליו משוחרר תוך עשירית השנייה, כך שהחלבון המשופר אינו פוגע באספקה התקינה לגוף, אך ה־CO נשאר קשור אליו לאורך זמן.
החוקרים מדדו לחלבון זמן מחצית חיים של כ־115 שעות – כלומר, עוברות כמעט חמש יממות עד שמחצית מממולקולות החלבון משחררות את הפחמן חד־חמצני שנקשר אליהן. נתון זה מעיד על יציבות יוצאת דופן של הקשר, ומסביר את יעילותו של החלבון בלכידת ה־CO ושמירה עליו עד לפינויו מהגוף. בניסויי מבחנה עם תאי דם אדומים רוויים ב־CO, הצליח החלבון לסלק מהדם כ־72 אחוזים מהגז תוך חמש דקות בלבד, והמשיך ללכוד אותו עד שניקה כמעט את כולו.

בין עכברים לבני אדם

כדי לבדוק אם החלבון יעיל גם בגוף חי החוקרים ערכו ניסויים בעכברים שנחשפו להרעלת CO חריפה. בבדיקות הדם נמצא כי כ־76 אחוז מההמוגלובין שלהם – החלבון שאמור לשאת חמצן – היה קשור לגז הרעיל. מצב כזה נחשב מסכן חיים, משום שהדם כבר כמעט אינו מסוגל להעביר חמצן לרקמות.
לאחר הזרקה אחת של החלבון לווריד, רמות ה־CO בדם החלו לרדת מיד. תוך שעה נמצאו בשתן כמויות גדולות של החלבון כשהוא עדיין קושר מעל 90 אחוז מה־CO – עדות לכך שהוא לא רק לוכד את הגז אלא גם מפנה אותו מהגוף, שלב חיוני בכל טיפול בהרעלה.
החוקרים סבורים כי התהליך מתרחש דרך מנגנון הפינוי הכלייתי – אחד המנגנונים המרכזיים לסילוק חומרים מהגוף, לצד מערכת העיכול, הריאות, הכבד והמערכת הגלימפטית, שאמונה על ניקוי פסולת מוחית. הכליות מסננות את הדם ומעבירות מולקולות קטנות או מסיסות אל השתן, בהן גם תרופות ותוצרי פירוק של רעלים. במקרה זה, נראה שהחלבון נשאר מסיס ויציב דיו כדי לעבור דרך מערכת הסינון כשהוא נושא עמו את ה־CO הקשור אליו, וכך הוא מאפשר את פינויו הבטוח של הגז בלי  להותיר שאריות רעילות בגוף.

כדי לוודא שהחלבון המהונדס אינו מזיק נבדקה השפעתו בעכברים בריאים שלא נחשפו ל־CO. גם במינונים גבוהים לא נמצאו סימני רעילות או פגיעה באיברים. בנוסף, החלבון הראה יציבות גבוהה בדם ושמר על פעילותו לאורך זמן. השלב הבא יהיה לבחון אם התוצאות הללו חוזרות גם בבעלי חיים נוספים ובבני אדם. אם כן, ייתכן שהחלבון יסלול דרך לטיפול יעיל ראשון בהרעלת פחמן חד־חמצני, ויסמן מפנה של ממש בדרך שבה הרפואה מתמודדת עם אחד הרעלים החמקמקים והמסוכנים ביותר.