20 ноября 79 года больному человеку впервые в мире была перелита искусственная кровь. Это событие и сегодня остается важной вехой в медицине. С тех пор больные и медики могут меньше беспокоиться, проводя процедуру трансфузии (переливания). В частности, беспокоиться о совместимости крови. Ведь искусственная жидкость, как считается, подходит любому пациенту. К тому же ее гораздо проще сохранять. Снижает риск заражения вирусами.
Потребность в гемотрансфузиях с каждым годом растет, а заготовка донорской крови оказывается все более проблематичной. Годовая потребность в человеческой крови составляет 150 млн литров. Кровь необходима в самых различных случаях: женщинам с осложнениями во время беременности и родов, детям с тяжелой анемией, часто возникающей в результате эпидемий или голода, жертвам несчастных случаев, хирургическим и онкологическим больным.
Несмотря на проводимую в течение последнего десятилетия ограничительную тактику применения гемотрансфузий, в России сохраняется большой дефицит эритроцитной взвеси. Становится все более очевидным, что решение проблемы лежит в концентрации научных и материальных усилий на создании искусственного заменителя крови биосовместимой среды с приемлемой кислородтранспортной функцией.
Введение
Кровезаменители. Разновидности
В настоящее время функции искусственной крови выполняют несколько изобретений, в основе которых лежат следующие элементы:
Гемоглобин (США), побочный эффект — повышение кровяного давления (гипертония).
Перфторан, или так называемая «голубая кровь» — создан на основе перфторорганических соединений, имеет голубой цвет, способен пассивно переносить кислород как следствие высокой растворимости последнего в перфторорганических соединениях.
Достоинства
отсутствие риска заражения вирусами, гепатитом,
совместимость с любой группой крови при переливании крови,
производство в лабораторных условиях,
oтносительная лёгкость хранения (в экстренных ситуациях сухую искусственную кровь разбавляют специальным водным раствором, и в течение нескольких секунд она будет готова к применению),
ускоряет перенос кислорода к тканям (большее количество кислорода на одну молекулу его переносчика).
Недостатки
побочные эффекты, токсичность,
дороговизна.
Получение искусственной крови и ее характеристики
Современные технологии позволяют ученым разработать замену человеческой крови – на так называемую искусственную кровь. Ученые считают, что искусственная кровь окажет значительное влияние на развитие медицины в будущем. Она сможет дополнить существующие технологии по переливанию крови и создать стабильный запас безопасной и эффективной замены человеческой крови.
В теории существует два основных направления разработки искусственных переносчиков кислорода:
– первое направление создание препаратов на основе синтетических материалов, способных обратимо связываться и переносить молекулы кислорода. В основном это относится к препаратам на основе эмульсий полностью фторированных органических соединений.
– второе направление разработка различных модификаций биосовместимых сред на основе натурального или модифицированного гемоглобина человека и животных.
В зависимости от типа искусственной крови ее можно получать разными способами, используя синтетическое производство, химическое выделение или стволовые клетки, биохимическую технологию.
Сама искусственная кровь — это общее название для целого ряда кровезаменителей, призванных выполнить функции традиционной донорской крови. В их основе лежат такие элементы, как гемоглобин, альбумин, пластиковая кровь. А также перфторан (так называемая «голубая кровь», созданная на основе перфторорганических соединений), способный пассивно переносить кислород.
Настоящая кровь выполняет множество различных функций, искусственная кровь предназначена только для транспортировки кислорода и углекислого газа по всему телу. В настоящее время, искусственная кровь предназначена только для замены функций эритроцитов. Вне эритроцитов гемоглобин имеет очень короткий период полураспада. Он нестабилен и быстро распадается на два димера, которые обладают сильным нефротоксическим (повреждающим почки) действием.
Искусственная кровь — это продукт, предназначенный для замены эритроцитов. Красные кровяные тельца, или эритроциты — это наиболее важный компонент человеческой крови. Они содержат в себе гемоглобин и способствуют легкой транспортировке крови по телу человека. Гемоглобин получают из крови доноров либо получают синтетическим путем. Для синтетического производства гемоглобина используют аминокислоты. В природе существует 20 аминокислот, которые могут быть использованы для производства гемоглобина.
Искусственная кровь должна иметь следующие желательные свойства:
Во-первых, она должна быть безопасной в использовании: это означает, что каждый человек сможет использовать искусственную кровь вне зависимости от его группы крови.
Во-вторых, она должна транспортировать кислород по всему телу и высвобождать его там, где необходимо, подобно настоящим эритроцитам.
В-третьих, она должна сохранять свои свойства при долговременном хранении. В отличие от донорской крови, искусственная кровь может храниться более года.
Напомним основные функции крови
– транспортная функция. Кровь переносит кислород от легких ко всем клеткам и углекислый газ – в обратном направлении. Она транспортирует к клеткам питательные вещества, взятые от органов пищеварения. Кроме того, кровь уносит конечные продукты обмена в те органы, которые их сначала обезвреживают, а затем удаляют, т.е. в легкие, почки, толстый кишечник, потовые железы;
– защитная функция. Иммунная система стоит на страже здоровья; любая бактерия или вирус, попадая в организм, сразу же встречает сопротивление. Первый барьер на пути любого «агрессора» – иммунные клетки, расположенные в слизистой дыхательной системы – носа и глотки, где уничтожается подавляющее большинство вдыхаемых нами микробов или токсинов.
Но если чужеродным микробам и веществам удалось прорваться через эту преграду и попасть в кровь, тут их поджидает не менее мощная защита в виде атаки специальных иммунных клеток – макрофагов и лимфоцитов, которые беспощадно уничтожают врагов. А мы при этом спокойно живем, ходим на работу, отдыхаем и об этих постоянных «битвах» внутри нашего тела даже не подозреваем;
– гуморальная регуляция. Кровь переносит гормоны и другие биологически активные соединения от клеток, где они образуются, к другим органам и тканям. Этим обеспечивается химическое взаимодействие между всеми частями организма;
– терморегулирование. Кровью переносится тепло от энергоемких органов к остальным. Список может быть продолжен.
Сегодня заготовка донорской крови многократно дешевле получения даже самого простого препарата инкапсулированного гемоглобина. Возможный путь решения заключается в создании компактных и мобильных систем для быстрой инкапсуляции растворов гемоглобина непосредственно перед инфузией, это поможет значительно снизить затраты на производство и даст толчок к развитию и внедрению новой методики экстренного кровезамещения.
Как видим, искусственная кровь реализует только малую часть функций.
Достижения науки
Вклад в создание искусственной крови внесли ученые Англии, Германии, России, США, Швеции, Японии и др
Группой британских учёных из университета Шеффилда (University of Sheffield) разработан новый вид синтетической крови – кровь пластиковая, ну, или пластмассовая, кому как нравится (Plastic Blood). Вообще-то этот заменитель крови, конечно же, не пластиковый, а полимерный, а такое название получил, потому что при его создании использовался полиэтиленгликоль (ПЭГ)
В основе кровезаменителя — разветвлённая древовидная цепочка небольших молекул, в центре каждой из которых находится комплекс с атомом железа. Структура и работа этого полимера схожи со строением и действием человеческого гемоглобина: атом железа связывает кислород в лёгких, транспортирует к клеткам, а затем высвобождает в нужном месте, точно так же, как и в гемоглобине.
Отметим, что ПЭГ уже достаточно давно применяется для безопасной доставки лекарств в кровяное русло. Но тут учёные возложили на него другую задачу.
Внешне искусственная кровь выглядит как красная тягучая масса, чем-то напоминающая жидкий мёд. Собственно, красная окраска обусловлена наличием пигментирующих порфиринов, как и в настоящей крови.
Заметим, что образцы полимерной крови представлены в Лондонском музее науки (Science Museum) на выставке "Пластичность – 100 лет производству пластмассы" (Plasticity — 100 years of making plastics), которая проходила вплоть до начала 2009 года.
Её создатели справедливо полагают, что основное применение такая кровь найдёт, прежде всего, на поле боя, а также пригодится при оказании помощи пострадавшим в крупных катастрофах, когда нередко единовременно необходимо большое количество донорской крови для спасения жизней.
Обычно, прежде чем вливать пациенту донорскую кровь, необходимо определить нужную группу и резус-фактор. А синтетическая кровь универсальна и подходит любому человеку
Кстати, новая синтетическая кровь лишена недостатков обычной крови. Как поясняют в своём пресс-релизе учёные, донорская кровь хранится не более 42 суток, да и то — при строго определённых температурах. Синтетическая же сохраняется значительно дольше, и транспортируется даже при комнатной температуре.
Очевидно также, что донорская кровь может содержать такие вирусы и бактерии, как ВИЧ или гепатит C – полимерная кровь стерильна. Кроме того, она занимает значительно меньший объём и может быть растворена в воде (ПЭГ – полимер, хорошо растворяющийся в воде) непосредственно перед введением в человеческий организм.
Быть может, ещё более важным фактором, способным решить судьбу разработки, является её доступность. "Метод создания синтетической крови не требует больших денежных затрат, и в случае необходимости мы можем производить препарат тоннами", — говорит руководитель исследования и разработки Ланс Твимен (Lance Twyman).
Как известно, учёные по всему миру пытались и пытаются создать искусственный аналог крови вот уже более полувека. Почти все существующие заменители крови основаны на перфторуглеродах и получаемом из крови человека или животных гемоглобине (количество которого, прямо скажем, не бесконечно) .
Пожалуй, единственным более-менее успешным можно назвать проект советско-российских учёных (длился с 1979-го по 1996 год) по созданию кровезаменителя на основе эмульсии перфторуглеродов, которые очень хорошо могут растворять в себе газы: получился препарат "Перфторан" или так называемая "голубая кровь".
Натуральные элементы крови — эритроциты и содержащийся в них гемоглобин. Полимерный аналог последнего должен быть примерно того же размера, а значит — гораздо лучше проходить в мелкие капилляры, чем клетки крови.
Может ли кровь от команды Твимена стать не менее знаменитой? Предпосылки к этому есть. Учёные работали над созданием своего препарата более пяти лет и пошли по пути создания "синтетического" или полимерного гемоглобина, пытаясь максимально приблизить его к природному аналогу.
Специалисты из Школы медицины Вашингтонского университета в Сент-Луисе (США) разработали (2018) синтетический аналог человеческой крови, способный переносить кислород до двух суток. Препарат назвали Erythromer, его использование, по словам ученых, более эффективно, нежели применение других кровозамещающих растворов.
Эта «искусственная кровь» позволяет только временно поддерживать функции циркуляции крови и переноса кислорода по организму, через какое-то время человек должен получит настоящую кровь. Но как кровозамещающее средство данный продукт лучше всех существующих, отмечают ученые. "Erythromer выступает лучшим аналогом кровозамещающих растворов".
Ранее попытки создать подобные аналоги проваливались – испытания демонстрировали их сильную аллергенность и даже токсичность для организма. Выполненная апробация Erythromer прошла удачно и показала, что раствор безопасен, и риск заражений через такую кровь сведен к нулю.
Препарат представляет собой порошковую субстанцию, которую необходимо разбавлять специальной жидкостью. Но в экстренной ситуации, убеждены ученые, можно воспользоваться и просто физраствором. Ранее МедикФорум писал о том, что учеными была создана «таблетка от старости», которая оказалась эффективной и в деле защиты от воздействия радиации.
Японские учёные разработали универсальную искусственную кровь, подходящую для всех групп крови человека и способную храниться до пяти лет. Результаты исследования опубликованы в американском журнале Transfusion.
Она создаётся из гемоглобина, извлечённого из просроченной донорской крови, и заключена в защитную оболочку, что делает её стабильной и свободной от вирусов. Благодаря отсутствию антигенов, проверка на совместимость больше не требуется. Клинические испытания начались в 2022 году, и до настоящего времени серьёзных побочных эффектов не обнаружено. Массовое применение ожидается к 2030 году.
Если подходить к идеальному понятию искусственной крови, то скорее всего нужен именно искусственно синтезированный гемоглобин близкой по свойствам к «натуральному», как компонент, а не аналоги. Например, если получать улучшенные заменители крови биотехнологическими методами из каких-нибудь стволовых клеток, то это будет более строгий пример "искусственной крови".
А с другими системами, кроме того, наверное, будут еще возникать вопросы метаболизма и токсичности тем более, что при переливании крови это вопрос посторонней жидкости. То есть, если даже создать смесь, переносящую кислород и связывающую карбонаты, что, вероятно, возможно, но подобное решение все равно может не вписаться в строгую форму «искусственной крови», если подходить к определению достаточно строго.
Проблема не только в гемоглобине - искусственные переносчики кислорода есть (перфтораны справляются) – но и в остальных компонентах: эритроциты, если не ошибаюсь, ещё и носители карбонагидразы, без нее отравление углекислым газом может наступить даже при нормальном содержании кислорода (поэтому перфтораны используются как добавка к крови, а не как заменитель). Искусственных аналогов вроде нет, а при атмосферном давлении углекислый газ растворяется практически медленно.
Гемоглобин "идентичный натуральному" (или лучше), наверное, будет очень дорого получать совершенно искусственно (из неживых источников).
Ещё в прошлом веке создали искусственную кровь, которая как ожидалось, заменит донорскую. Но пока без доноров обойтись невозможно.
Существует кровозаменитель уже давно, представляет собой порошок, изготовленный из обычной человеческой крови, точнее из красных кровяных телец. Главная ценность искусственной крови состоит в длительном сроке ее хранения. Если в настоящее время технология хранения обычной крови позволяет держать ее в специальных условиях лишь 42 часа, после чего она становится непригодной для переливания, то уникальный порошок-заменитель может сохранятся в течение многих лет.
В случае необходимости субстанцию смешивают с жидкостью, получая таким образом жидкую форму, пригодную для переливания. Есть такая, голубого цвета, походит всем группам. Это раствор перфторуглеродов (торговое название "перфторан") – вещества, которое хорошо растворяет в себе газы. В советской прессе его называли "голубая кровь" (хотя внешне немного мутная жидкость без цвета).
К сожалению, она обладает рядом недостатков, которые не позволяют ее использовать для широкого переливания - в частности, она плохо выводится из организма, накапливается в почках, печени. На данный момент ее применяют для хранения органов при трансплантации. Перфтораны, решая проблему переноса кислорода, не решают проблему переноса углекислого газа.
Можно разбавлять кровь, но нельзя полностью заменить. Защитные свойства клеток крови обусловлены их строением. У эритроцитов нет ядра, и рибосом там нет. Но не всем вирусам требуется ядро. РНК-вирусы и в цитоплазме себя прекрасно чувствуют.
Чисто математически точно то, что сейчас имеем - это не искусственная кровь, а новый способ долговременного хранения донорской крови. Без натуральной крови в качестве сырья он всё равно не работает, так что масштабы его применения находятся в зависимости от масштабов поставок донорской крови. Проблема с нехваткой донорской крови таким способом не решается.
Некоторые важные факты
1. В основу нового препарата положены перфторированные углероды, способные растворять кислород и углекислый газ, то есть выполнять функции газообмена, как и природная кровь. Но вводить «голубую кровь» в организм в чистом виде нельзя, требуются особые добавки. Грамотно подобрать их — отдельная проблема для ученых.
2. В России работы над созданием отечественного заменителя крови проводились профессором Белоярцевым и его единомышленниками в лаборатории подмосковного Пущино. Вскоре после первых успехов, на профессора обрушился шквал критики от коллег. Над ним откровенно смеялись, обвиняя в лженаучности работ. Организаторы критики добились своего: в какой-то момент Белоярцев не выдержал травли и покончил с собой.
Двадцать лет назад, в 2005 году, то есть без малого четверть века спустя после смерти первооткрывателя перфторана, на очередном международном съезде ученых, работающих над созданием заменителей крови, было констатировано, что ни одна страна не достигла пока результатов, полученных еще в 1982 году русским профессором Феликсом Белоярцевым. Сейчас его дело продолжает профессор Иваницкий.
3. Американцы из фирмы «Альянс», также работающие над созданием синтетической крови, провели экспертизу русского перфторана и признали его лучшим в мире.
4. Российские медики, работающие в стационарах, о «голубой крови» знают, но предпочитают использовать всё-таки донорскую. Объясняют это тем, что перфторан имеет определенные «капли несовместимости». В частности, белковое содержание природной крови человека гораздо богаче, а отличие лишь в одном звене белковой цепочки «реки жизни», как называют кровь, может оказаться роковым для пациента.
При этом запасы донорской крови в последнее время в больницах больших и малых городов, районов и регионов заметно уменьшились. Виной всему — федеральный закон РФ № 125-Ф3, отменивший денежную компенсацию донорам. Он вступил в силу в январе текущего года и вызвал настоящий шок, как у специалистов, так и у самих доноров.
Он принят с подачи чиновников Минздрава, которые не учли, что в доноры идут у нас обычно люди небогатые — студенты, курсанты военных училищ, многодетные родители. Для них 550 рублей, которые выплачивали раньше за сдачу крови, были неплохой прибавкой к бюджету.
5. После вступления в силу закона № 125-Ф3 банк крови в таком мегаполисе, как Петербург (для примера) сократился примерно на 30−35 процентов. С осени ситуация стала выправляться. В первую очередь за счет студентов и учащихся техникумов, с которыми «проводится большая разъяснительная работа».
Но главное потому, что городские власти согласились финансировать донорство, предлагая сдающим кровь на выбор — бесплатный обед или его стоимость деньгами (383 рубля). По данным городской станции переливания крови, в день к ним приходят сейчас до 70 человек. В советские годы приходило по несколько сот…
Заключение
При всем разнообразии предложенных решений на сегодня ни одна из указанных моделей полностью не решает всех обозначенных проблем, в том числе окислительной деградации. Несмотря на удовлетворительные, казалось бы, результаты экспериментов последних лет, усложнение процедуры синтеза многократно увеличивает стоимость препарата, что делает его недоступным для массового производства.
Кроме указанной проблемы есть и другие, решение которых еще не найдено, например часто высокие и потому неприемлемые для внутрисосудистого введения в больших дозах значения осмолярности и вязкости разрабатываемых сред, малоизученное взаимодействие с NO -естественным метаболическим регулятором сосудистого тонуса - и др.
Очевидно, что на сегодня заготовка донорской крови многократно дешевле получения даже самого простого препарата инкапсулированного гемоглобина. Хотя эксперименты продолжаются, надо признать, что пока решение проблемы глобального дефицита крови не найдено.
Литература
1. Кичев Г.С., Веремеенко С.Н., Озерова И.В. и др. Опыт применения перфторана в лечении критических состояний различного генеза. Mедлайн.Pу. 2004. Т. 5. С.175-177.
2. Кровосберегающие технологии в акушерской практике (утв. Рос. общ. акушеров-гинекологов 15 мая 2014 г.). Клинические рекомендации (протокол лечения) [Электронный ресурс]: [письмо M-ва здравоохранения РФ от 27 мая 2014 г. № 15-4/10/2-3798] // ФГБУ «Научный центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова Mинздрава России». M. 2000-2014. - Режим доступа: http://www.ncagip.ru/upload/ obrazovanie/krove_tex_2014.pdf.
3. MDH. Minnesota Department of Health [Electronic recource] / MDH. 2015. Mode of access: www.health.state.mn.us.
4. Takeoka S., Sakai H., Kose T. et al. Methemoglobin formation in hemoglobin vesicles and reduction by encapsulated thiols. Bioconjugate Chem. 1997. № 8. Р. 539-544.
5. Bhadra D., Bhadra S., Jain P. et al. Pegnology: a Review of PEG-ylated systems. Pharmazie. 2002. № 57. P. 5-29.
6. Багненко С.Ф., Сорока В.В., Нохрин С.П. и др. Применение перфторана в лечении больных с критической ишемией нижних конечностей. Mед-лайн.Ру. 2005. Т. 6. С. 683-693.
7. Берсенёв, А. В. Крупномасштабное получение эритроцитов из гемопоэтических стволовых клеток человека // Клеточная трансплантология и тканевая инженерия. — 2005. — Т. I, вып. 1. — С. 33
8. Воробьёв С.И., Иваницкий Г.Р., Мороз В.В. и др. Газотранспортные препараты на основе перфторуглеродных эмульсий (обзор). Вестник интенсивной терапии. 1996. № 2-3. С. 15-21.
9. Palmer A.F., Intaglietta М. Blood substitutes. Ann. Rev. Biomed. Eng. 2014. № 16. Р. 77-101.
10. Источник: <noindex><a rel="nofollow" href="http://www.membrana.ru/ articles/health /2007/06/19/165500.html" target="_blank">http://www.membrana.ru/articles/health/2007/06/19/
165500.html</a></noindex>