Елена Бабичева
Попытки подражания: как и зачем ученые стремятся создать искусственную кровь
С тех пор как стало возможным переливание крови, ученые упорно ищут способы создать ее искусственный эквивалент. Какие достижения есть в этом направлении, узнала Кровь5.
Настоящая кровь выполняет множество функций, а в ее состав входят различные типы клеток (лейкоциты, эритроциты, тромбоциты) и внеклеточный материал — плазма. Она состоит из воды, солей и различных белков, которые вместе с тромбоцитами способствуют свертыванию крови и предотвращают кровотечение. Белые кровяные тельца — лейкоциты отвечают за иммунную защиту.
Ярко-красный цвет крови придают эритроциты: в двух каплях крови их около миллиарда. Именно красные кровяные тельца отвечают за транспортировку кислорода по всему телу и вывод углекислого газа. Кроме того, эритроциты ответственны за явления «типизации»: на мембранах этих клеток находятся белки, которые организм распознает как свои, и таким образом определяется совместимость крови.
Для переливания крови именно эритроциты представляют главный интерес. Но очевидным это стало не сразу.
С риском для жизни
Первые попытки создать искусственную кровь были предприняты еще в начале XVII века. В 1617 году английский врач Уильям Харви описал механизм циркуляции крови в теле. А в 1667 году было сделано первое переливание крови человеку. И хотя это был, безусловно, рывок, он ни ясности не добавил, ни успеха не принес: пациенты, прошедшие эту процедуру, умерли.
С тех пор врачи безуспешно пытались найти заменитель крови, используя в качестве него подчас самые неожиданные вещества, например пиво, мочу, растительные смолы, овечью кровь.
С их помощью одни надеялись победить ту или иную болезнь, другие преследовали более амбициозные цели, в частности изменить личность. Ни одна попытка, что понятно, не увенчалась успехом.
В какой-то момент подумали, что достойным заменителем крови может стать молоко, которое предположительно помогало регенерации лейкоцитов. Его использовали во время эпидемии холеры в 1854 году, и поначалу даже казалось, что у больных после переливания наступает улучшение, но это была очередная иллюзия.
Одно время надежда была на солевые растворы, поскольку эксперименты на лягушках были обнадеживающими. Животные выживали после того, как их кровь была полностью удалена, а вместо нее введен солевой раствор. И опять выводы оказались ошибочными. Впоследствии выяснилось, что лягушки в принципе могут какое-то время существовать без кровообращения.
Лишь в XIX веке ученые обнаружили, что для переливания крови можно использовать растворы, которые включают в себя гемоглобин и плазму. Но эти исследования не получили дальнейшего развития, поскольку технологически было сложно выделить большой объем гемоглобина. Да и продукты животного происхождения содержат вещества, токсичные для человека, которые в то время еще не умели удалять.
На случай дефицита
Первый серьезный прорыв в направлении создания искусственной крови произошел лишь в 1883 году, когда был разработан раствор, состоящий из солей натрия, калия и кальция, — раствор Рингера. Эксперимент все на тех же лягушках показал, что его применение позволяет поддерживать сердце животного в рабочем состоянии. Впоследствии этот раствор стали использовать при снижении артериального давления, вызванного потерей объема крови, для его восстановления. Но поскольку раствор Рингера не обладал функциями эритроцитов, то заменителем крови он так и не стал.
Большой вклад в технику переливания крови внес иммунолог Карл Ландштейнер, который создал классификацию групп крови в зависимости от способности эритроцитов сворачиваться в присутствии различных сывороток.
Это открытие сделало переливание крови безопасной и рутинной медицинской практикой, а его автору принесло Нобелевскую премию.
Но вопрос, чем заменить кровь при ее нехватке, по-прежнему оставался открытым. И даже обострился во время войн — Первой мировой и особенно Второй мировой. Тогда при переливании крови раненым в основном применяли плазму. А чтобы увеличить ее объем, использовался солевой раствор камеди.
Однако ему не хватало вязкости цельной крови, к тому же послевоенные исследования доказали его негативные последствия для здоровья. Плазму использовали для переливания крови, спасая солдат от геморрагического шока, который возникает при сильной кровопотери. В конце концов, все это привело к созданию банков крови Американским Красным Крестом в 1947 году.
Идеальный эквивалент
На какой-то период интерес к поиску заменителей крови утих: банки крови имели достаточно запасов и работали стабильно. Исследования в этом направлении возобновились, лишь когда было обнаружено, что при переливании крови могут передаваться ВИЧ и гепатит.
К этому времени наука шагнула далеко вперед в своих представлениях о том, что такое кровь, из чего она состоит и какие функции выполняет. Тогда же стало понятно, какой в идеале должна быть искусственная кровь.
Главные требования к ней — безопасность, то есть она должна быть очищена от всех болезнетворных агентов, и совместимость с организмом.
Искусственная кровь должна выполнять ключевую функцию — транспортировать кислород по всему организму. И оставаться стабильной при хранении.
На сегодня в качестве кровезаменителей ведутся разработки двух существенно разных продуктов.
Заменитель с ограничениями
«Голубой кровью» называют перфторан — вещество, созданное на основе перфторорганических соединений, которое действительно имеет голубой цвет. Перфторхимикаты (отчасти схожеие с политетрафторэтиленом — нам он известен под торговым наименованием «тефлон») в качестве кровезаменителя были опробованы на мышах еще в 1966 году. Мыши не просто выжили в результате замены крови, но и излечились.
Современная наука использует в качестве кровезаменителя перфторуглероды (ПФУ) — биологически инертный материал, который может растворять в 50 раз больше кислорода, чем плазма крови. Одно из главных его преимуществ заключается в том, что его производство не требует применения биоматериалов. А значит, исключается риск распространения инфекционных заболеваний при переливании крови.
Но есть и серьезные минусы. Во-первых, перфторуглероды не растворяются в воде. Поэтому им необходима помощь липидов — эмульгаторов, благодаря которым ПФУ все же сможет растворяться в крови. Во-вторых, этот материал является плохим переносчиком кислорода.
Так что, прежде чем перфторуглероды можно будет использовать в качестве искусственной крови, придется преодолеть эти барьеры.
Да, но…
Другое перспективное вещество на роль искусственной крови — все тот же гемоглобин. Его главное преимущество одновременно является его основной функцией — транспортировка кислорода во все органы и ткани. Еще один весомый плюс — продукты гемоглобина не содержатся в мембране, что снимает проблему определения группы крови.
Однако и в этом случае есть свои «но». Свободный гемоглобин распадается на более мелкие соединения, токсичные для человека. И в организме предусмотрены специальные механизмы для его связывания и обезвреживания. Кроме того, он в принципе нестабилен в растворе. Эти препятствия необходимо было как-то преодолеть. Либо изменить молекулу гемоглобина путем химического сшивания. Либо модифицировать его, используя технологии рекомбинантной ДНК.
Модифицированные виды гемоглобина стабильны, водорастворимы и теоретически должны обладать большей способностью переносить кислород, чем наши собственные эритроциты.
Встает вопрос: откуда берется гемоглобин? Один из способов получения — выделение его из оставшейся донорской крови, чей срок годности истек. Можно использовать и отработанную кровь животных, но их гемоглобин несколько отличается от человеческого, поэтому перед применением потребуются определенные манипуляции с ним.
Основной же метод его получения — синтетический. Технология основана на свойстве штаммов кишечной палочки продуцировать человеческий гемоглобин. Схематично этот процесс выглядит следующим образом. Культуры бактерий стерилизуют и высаживают в пробирку для размножения.
Когда популяция достигает значительных размеров, их помещают в специальную питательную среду, которая включает в том числе аммиак (главный фактор производства гемоглобина) и аминокислоты (незаменимые химические вещества для создания белков). Так бактерии благополучно наращивают популяцию, производя гемоглобин. Полученный гемоглобин очищают, смешивают с электролитами — и вот она, готовая искусственная кровь. Ее можно пастеризовать и пакетировать для хранения. Но необходимо регулярно проверять на наличие бактерий.
У этого вида искусственной крови есть и ограничения. Большинство продуктов на основе гемоглобина сохраняются в организме не более 20–30 часов. К тому же, в отличие от настоящей крови, они не умеют бороться с болезнями и образованием тромбов.
Идеи на будущее
Еще одно интересное направление — разработка искусственной крови на основе наночастиц. Используемые для создания искусственной крови, они могут имитировать форму и размеры кровяных клеток, что позволяет им заменять естественную кровь в случае ее потери.
Известный исследователь в области наномедицины Роберт Фрейтас в начале этого века предложил свою концепцию искусственной крови, которая будет представлять собой наноробототехническую систему.
Она, по идее, выполняет все функции натуральной крови: доставку кислорода, вывод углекислого газа и токсинов и т. д.
Им была создана красная кровяная клетка — респироцит, который может транспортировать в 200 с лишним раз больше кислорода, чем эритроцит, заполненный гемоглобином. Введение в кровоток человека одного литра респироцитов позволяет задержать дыхание на четыре часа, находясь при этом под водой.
На очереди — создание искусственных аналогов тромбоцитов, содержащих связующее вещество, что позволит быстро останавливать кровотечение.
Однако все это только перспективные исследования, и со стопроцентной точностью воссоздать натуральную кровь пока так и не удалось. Поиски продолжаются.
