Что такое человеческая кровь и какие варианты искусственной крови сейчас разрабатываются

Задумывались ли вы когда-нибудь, что единственный источник крови для людей – другие люди? Ежегодно переливание крови спасает миллионы жизней, а чтобы вылечить одного ребенка от онкологических заболеваний, необходима кровь 70 доноров. Конечно, далеко не в каждой стране есть достаточные запасы крови. Представьте, сколько жизней можно было бы спасти, если бы кровь можно было производить в промышленных масштабах где-нибудь на заводе. Уже больше 300 лет ученые ищут альтернативу крови. Первые попытки были с использованием крови овцы и молоком, позже, из-за значительного количества летальных исходов, подобные эксперименты прекратились. А что говорит современная наука о заменителях крови? Посмотрим, что такое человеческая кровь и какие варианты искусственной крови сейчас разрабатываются.

Потребность в «не своей» крови

Донорская кровь необходима при проведении сложных операций на сердце и сосудах, при пересадке органов, при серьезных травмах, а также для лечения различных гематологических заболеваний, в том числе онкозаболеваний. Интересно, что в развитых странах кровь преимущественно идет на нужды пожилых, а в странах с низким и средним заработком – в первую очередь на лечение детей и молодежи (осложнения при беременности и тяжелая форма детской анемии).

С другой стороны, донорство – это относительно положительный опыт и самих доноров. Если сдавать кровь раз в год, то это снижает шансы сердечного приступа на 88 процентов. У регулярных доноров более низкие шансы заболеть раком и у них более здоровая печень. Все это результат того, что при сдаче крови нормализуется уровень железа в организме. Но у донорской практики есть и много недостатков, рассмотрим их подробно.

Проблема донорства

В Украине за 2018 год от 1% до 3% желающих не смогли стать донорами. Прежде всего кровоснабжение должно быть безопасной для самого донора. Для этого проверяют уровень гемоглобина в крови, при очень низких значениях человека не допускают кровоснабжение. Кроме того, существует немалый список противопоказаний, связанных с безопасностью реципиента. Временные противопоказания запрещают сдавать кровь в течение одного года, шести месяцев или менее (например, после операций, нанесения татуировки, пирсинга), а некоторые абсолютны (неизлечимые инфекционные болезни, злокачественные опухоли и другие).

Наибольшим риском при переливании крови является заражение неизлечимыми инфекционными заболеваниями. Такое переливание вряд ли можно назвать спасающим жизнь. Поэтому в большинстве стран обязательно тестирование образцов крови на различные вирусные и бактериальные инфекции. В Украине тестируют на ВИЧ, сифилис, гепатит B и С. Такой же список и в Германии , а вот в США список несколько больше – они дополнительно тестируют на вирус Зика, бабезию, болезнь Шагаса и цитомегаловирус. Реальная опасность подхватить болезнь существует в странах с низким доходом, там20 процентов донаций не проходят даже минимальный скрининг.

Еще одно ограничение – это несовместимость групп крови. Если срочно нужна кровь, то совсем не факт, что кто-то из родных и близких сможет помочь даже при большом желании и тогда нужно искать донора с совместной группой крови. Для этого есть банки крови, в которых в идеале должны быть запасы всех групп в достаточном количестве, но это не всегда так. В развитых странах нормой считается 33 донации на 1000 человек населения (т.е. 3,3 процента), а в Украине мы имеем только 11 донаций на 1000 жителей .

А запасы должны регулярно пополняться, потому что срок хранения компонентов крови варьируется от 5 дней до 1 года. Эритроциты сохраняются в охлажденном виде от 21-го до 42-х дней в зависимости от добавляющих антикоагулянтов. Тромбоциты – от 5 до 7 дней, плазма – 3 года при строгом соблюдении температурного режима (ниже –25℃), иначе – всего 3 месяца. Хотя центры крови и пытаются использовать все запасы, всегда остается вероятность, что часть крови уйдет на утилизацию по истечении срока годности.

А теперь представим, что кровь можно синтезировать в лаборатории. Такая кровь точно не будет иметь вирусов и бактерий в отличие от получаемых при донациях. Искусственная кровь будет более простое строение и поэтому не будет содержать антигенов, которые приводят к слипанию эритроцитов, проще говоря, она будет универсальным донором. А самое главное, ее не нужно будет извлекать из людей.

Функция крови и кровезаменителей

В контексте кровезаменителей важнейшей функцией крови является транспорт кислорода, обеспечивающий эритроциты. Они снабжают кислород из легких клеткам, а диоксид углерода – переносят в обратном направлении, от клеток к легким, на выдох. При значительных кровопотерях тканям и органам не хватает кислорода, как результат человек теряет сознание, а при длительном отсутствии кислорода в организме происходят необратимые процессы. Сердцем эритроцита является белок гемоглобин, связывающий кислород в легких и несущий его с током крови к клеткам и тканям. Благодаря гемоглобину 1 литр крови переносит.около 200 миллилитров кислорода, одновременно в 1 литре плазмы (при отсутствии гемоглобина) растворяется только 3 миллилитра кислорода. Кстати, именно гемоглобин путем связывания с кислородом обуславливает красную окраску артериальной крови. Поэтому в течение XX столетия ученые пытались создать биосовместимый материал, обеспечивающий перенос кислорода подобно гемоглобину. Но прежде ученые имели довольно странные представления о крови.

Молоко в венах

После открытия кровообращения в 1628 году ученые начали с ним экспериментировать. Кристофер Рен поразил мир своими удачными опытами по вливанию пива, вина и других веществ в кровоток собак, эти опыты заложили начало истории внутривенных инъекций. Впоследствии было несколько удачных переливаний крови от животных людям, однако были и неудачные попытки с летальным исходом. Оппоненты новой практики называли это процедурой из мастерской Сатаны и вскоре во Франции вышел запрет на переливание крови животных людям на 150 лет.

Только в середине XIX века зарегистрирован первый случай, когда переливание крови излечило пациента от гемофилии. А с начала XIX века врачи-экспериментаторы вливали коровье и козье молоко больным холерой, туберкулезом и другими болезнями. Некоторые из них даже выживали, но в целом практика была признана бездейственной. В то время считалось, что жировые частицы молока могли быть превращены в белые кровяные тельца (лейкоциты), а последние могут превратиться в красные кровяные тельца (эритроциты). Лактотрансфузия имела единственное преимущество перед переливанием крови – она не приводила к слипанию эритроцитов и эмболии (перекрытие сосудов тромбом или пузырьком воздуха). Только в 80-х годах XIX века большинство ученых сошлись во мнении, что переливание крови безопаснее, чем вливание молока.

Родная - чужая кровь

Параллельно с молочными экспериментами другие ученые пытались вливать кровь от человека в человека. Часть попыток была удачной, часть же приводила к коагуляции (слипанию частиц крови). Дело в том, что тогда о группах крови еще никто не знал, только в 1900 году Карл Ландштайнер открыл три группы крови, еще через несколько лет была открыта четвертая и через некоторое время стало понятно, что при проведении гемотрансфузий следует учитывать группы крови. явились понятия "универсальный донор" и "универсальный реципиент". Позже врачи научились хранить кровь с помощью антикоагулянтов и холодильника. А уже в 1932 г. появился первый банк крови. Далее началось стремительное развитие донорства во время Второй Мировой войны и после.

Чистый гемоглобин

В ХХ веке стартовал новый этап поиска кровезаменителей. С развитием биохимии и молекулярных технологий, гемоглобин – белок переносящий кислород – научились выделять из крови людей и животных. Такой гемоглобин можно использоватькак заменитель крови. Но все равно остается риск переноса некоторых инфекций, хотя и гораздо меньше. Например, гемоглобин животного происхождения может являться источником прионных болезней. Альтернативой является гемоглобин, синтезированный генномодифицированными бактериями. Все три вида гемоглобина не имеют такого атрибута, как группа крови, поэтому изолированный гемоглобин можно вливать любому без предварительных тестов. Однако при отсутствии природной оболочки – эритроцита – гемоглобин становится нестабильным и распадается на отдельные субъединицы. Для стабилизации белок сшивают с полимерными матрицами, например полиэтиленгликолем, или помещают в капсулу подобную оболочке клетки. К сожалению, большинство технологий, которые дают положительные результаты, слишком дороги для воплощения в широких масштабах.

ПФО и дыхание в жидкостях

Более перспективный вариант кровезаменителей – перфторорганические (ПФО) соединения. Это соединения углерода с фтором, по строению подобные углеводородам, но вместо водорода содержат фтор. ПФО соединения гораздо более инертны, чем углеводороды, поскольку энергия связи CF (углерод-фтор) значительно выше, чем CH (углерод-водород). Эта связь считается самой прочной в органической химии.

Исследования показали, что ПФО соединения очень хорошо растворяют газы, включая кислород и диоксид углерода. В 1960-х годах возникла идея использования ПФО соединений для дыхания, эксперимент известный как liquid breathing . Испытуемые мыши погружали в ПФО жидкость и там они выживали в течение недели и после того, возвращаясь к нормальному воздуху, жили еще несколько недель. Сегодня до сих пор ведутся разработки в этом направлении для лечения повреждений легких.

Но по своей природе ПФО соединения совсем не похожи на гемоглобин крови. В отличие от него, кислород не связывается с ПФО веществами, а растворяется в них, то есть между ними не возникает химическая связь. Суспензии перфторуглеводородов растворяют до 40-50 объемных процентов кислорода и до 200 объемных процентов диоксида углерода. Такая высокая растворимая способность обусловлена особенностями С-F связи: взаимодействие между отдельными молекулами очень слабое, и как результат, молекулы газов легко занимают место в полостях между молекулами перфторуглеводородов.

Другое последствие наличия такой особой связи – чрезвычайная гидрофобность и существенная липофобность . Все мы знаем, что тефлоновая сковорода не смачивается ни маслом, ни водой. Так же и ПФО соединения, применяемые для замены крови, не смешиваются с водной средой (помним, что плазма содержит 90% воды), имеющейся в сосудах. Поэтому в ПФО добавляют эмульгаторы. А вот липофобность (нерастворимость в жирах) придает им дополнительно биоинертность, поскольку они слабо взаимодействуют с липидными мембранами, которыми окружены почти все клетки.

Что же происходит с такими чужеродными соединениями в организме человека? Фагоциты – клетки иммунной системы – поглощают ПФО соединения, которые попадают снова в кровь, но уже в липидной оболочке, направляются в легкие и выдыхаются в виде паров. К тому же в живых организмах отсутствует ферментная система, разрушающая перфторуглеводороды. Такие ферменты просто не сформировались эволюционно, поскольку в природе почти не существует перфторуглеводородов.

Но все же ПФО соединения до сих пор не нашли широкого применения еще и потому, что выведение их из организма не столь простая история . Часть соединений ПФО задерживается в тканях и органах, а активизация иммунной системы (фагоцитов) приводит к появлению симптомов простуды или гриппа. Кроме того, пациентам, которым ввели ПФО препарат, дают дышать воздухом с высоким содержанием кислорода. Это может вызвать кислородную интоксикацию, при которой активизируются свободнорадикальные цепные реакции.

Стволовые клетки

Очень интересна и перспективна технология получения эритроцитов из стволовых клеток . В организме человека клетки крови образуются из гемопоэтических стволовых клеток (ГСК). В настоящее время проводятся эксперименты по получению эритроцитов из ГСК вне живого организма ( in vitro ). Такие эритроциты очень близки к нативным и теоретически эта технология может дать безлимитный ресурс искусственной крови. Но в настоящее время есть проблема масштабирования производства и такие эритроциты доступны только в небольших количествах в лабораторных условиях.

Лицензированные заменители крови

Некоторые препараты искусственной крови все же получили лицензию. К примеру, перфторан – разработка советских ученых, более известная как “голубая кровь”. Частицы эмульсии перфторана в воде рассеивают белый свет таким образом, что жидкость приобретает оттенок небесной голубизны. Перфторан сегодня имеет лицензию в России, некоторых странах СНГ и Мексике. Fluosol – первый и единственный ПФО препарат зарегистрированный FDA (Управление по продовольствию и медикаментам США) в 1989 году, но отозван через 5 лет из-за побочных эффектов. Oxygent – препарат, не прошедший третью фазу клинических исследований из-за повышенного риска инфаркта у пациентов по сравнению с применением донорской крови. Среди гемоглобиновых препаратов есть один, который утвержден в США и Европе как ветеринарное средство – Oxyglobin. Он применяется для лечения анемии у собак. А в Южной Африке препарат на основе гемоглобина коров – Hemopure – получил лицензию и широкое применение из- за значительной ВИЧ-контаминации донорской крови.

Так что искусственная кровь – это не фантастика, а вполне реальная альтернатива донорской крови. Большинство имеющихся препаратов провалились на ІІ или ІІІ фазах клинических исследований, но их ждет дальнейшее усовершенствование и очередные клинические испытания. Возможно, через пару десятилетий искусственную кровь можно будет просто купить в аптеке, а донорство станет историей.