Кров з молоком. Як вчені шукають кровозамінники і до чого тут вівці

Чи замислювалися ви колись, що єдине джерело крові для людей – інші люди? Щорічно переливання крові рятує мільйони життів, а щоб вилікувати одну дитину від онкологічних захворювань необхідна кров 70 донорів. Звісно, що далеко не в кожній країні є достатні запаси крові. Уявіть, скільки життів можна було б врятувати, якби кров можна було б виробляти в промислових масштабах десь на заводі. Вже понад 300 років вчені шукають альтернативу крові. Перші спроби були з використанням крові вівці та молоком, пізніше, через значну кількість летальних випадків, подібні експерименти припинилися. А що каже сучасна наука про замінники крові? Подивимося, чим є людська кров і які варіанти штучної крові зараз розробляються.

Потреба в «не своїй» крові

Донорська кров потрібна при проведенні складних операцій на серці і судинах, при пересадці органів, при серйозних травмах, а також для лікування різних гематологічних хвороб, в тому числі онкозахворювань. Цікаво, що в розвинених країнах кров переважно йде на потреби літніх людей, а в країнах з низьким та середнім заробітком – в першу чергу на лікування дітей та молоді (ускладнення при вагітності та важка форма дитячої анемії).

З іншого боку, донорство – це відносно позитивний досвід і для самих донорів. Якщо здавати кров раз на рік, то це знижує шанси серцевого нападу аж на 88 відсотків. У регулярних донорів нижчі шанси захворіти на рак і вони мають здоровішу печінку. Все це результат того, що при здачі крові нормалізується рівень заліза в організмі. Але донорська практика має і багато недоліків, розглянемо їх детально.

Проблема донорства

В Україні за 2018 рік від 1 до 3 відсотків охочих не змогли стати донорами. Перш за все, кроводача має бути безпечною для самого донора. Для цього перевіряють рівень гемоглобіну в крові, при дуже низьких значеннях людину не допускають до кроводачі. Крім того, існує чималий список протипоказань пов’язаних із безпекою реципієнта. Тимчасові протипоказання забороняють здавати кров протягом одного року, шести місяців або менше (наприклад, після операцій, нанесення татуювання, пірсингу), а деякі є абсолютними (невиліковні інфекційні хвороби, злоякісні пухлини та інші).

Найбільшим ризиком при переливанні крові є зараження невиліковними інфекційними хворобами. Таке переливання навряд чи можна назвати тим, що рятує життя. Тому в більшості країн обов'язковим є тестування зразків крові на різні вірусні та бактеріальні інфекції. В Україні тестують на ВІЛ, сифіліс, гепатит B і С. Такий же список і в Німеччині, а от в США список дещо більший – вони додатково тестують на вірус Зіка, бабезію, хворобу Шагаса та цитомегаловірус. Реальна небезпека підхопити хворобу існує в країнах з низьким доходом, там20 відсотків донацій не проходять навіть мінімальний скринінг.

Ще одне обмеження – це несумісність груп крові. Якщо терміново потрібна кров, то зовсім не факт, що хтось з рідних та близьких зможе допомогти навіть при великому бажанні, і тоді потрібно шукати донора із сумісною групою крові. Для цього існують банки крові, в яких в ідеалі мають бути запаси всіх груп в достатній кількості, але це не завжди так. В розвинених країнах нормою вважається 33 донації на 1000 осіб населення (тобто 3,3 відсотка), а в Україні ми маємо лише 11 донацій на 1000 жителів.

А запаси мають регулярно поповнюватися, оскільки термін зберігання компонентів крові варіюється від 5 днів до 1 року. Еритроцити зберігаються в охолодженому вигляді від 21-го до 42-х днів в залежності від антикоагулянтів, які додають. Тромбоцити – від 5 до 7 днів, плазма – 3 роки при строгому дотриманні температурного режиму (нижче –25℃), інакше – лише 3 місяці. Хоча центри крові і намагаються використати всі запаси, завжди лишається ймовірність, що частина крові піде на утилізацію через завершення строку придатності.

А тепер уявімо, що кров можна синтезувати в лабораторії. Така кров точно не матиме вірусів та бактерій на відміну від тої, що отримують при донаціях. Штучна кров матиме простішу будову і тому не міститиме антигенів, які призводять до злипання еритроцитів, простіше кажучи, вона буде універсальним донором. А найголовніше, її не потрібно буде видобувати з людей.

Функція крові й кровозамінників

В контексті кровозамінників найважливішою функцією крові є транспорт кисню, яку забезпечують еритроцити. Вони постачають кисень з легень клітинам, а діоксид вуглецю – переносять у зворотному напрямку, від клітин до легень, на видих. При значних крововтратах тканинам і органам не вистачає кисню, як результат людина втрачає свідомість, а за тривалої відсутності кисню в організмі відбуваються необоротні процеси. Серцем еритроциту є білок гемоглобін, який зв'язує кисень у легенях і несе його з током крові до клітин і тканин. Завдяки гемоглобіну 1 літр крові переносить близько 200 мілілітрів кисню, водночас у 1 літрі плазми (за відсутності гемоглобіну) розчиняється тільки 3 мілілітри кисню. До речі, саме гемоглобін шляхом зв’язування з киснем обумовлює червоне забарвлення артеріальної крові. Тож впродовж XX сторіччя вчені намагалися створити біосумісний матеріал, який би забезпечував перенесення кисню подібно до гемоглобіну. Але до того вчені мали досить дивні уявлення про кров.

Молоко у венах

Після відкриття кровообігу в 1628 році, вчені почали з ним експериментувати. Крістофер Рен вразив світ своїми вдалими дослідами по вливанню пива, вина та інших речовин у кровотік собак, ці досліди заклали початок історії внутрішньовенних ін’єкцій. Згодом було декілька вдалих переливань крові від тварин людям, проте були і невдалі спроби з летальними випадками. Опоненти нової практики називали це процедурою з майстерні Сатани й незабаром у Франції вийшла заборона на переливання крові тварин людям на 150 років.

Лише в середині ХІХ сторіччя зареєстровано перший випадок, коли переливання крові вилікувало пацієнта від гемофілії. А з початку XIX сторіччя лікарі-експериментатори вливали коров’яче та козяче молоко хворим на холеру, туберкульоз та інші хвороби. Деякі з них навіть виживали, але загалом практика була визнана недієвою. На той час вважалося, що жирові частинки молока могли бути перетворені у білі кров'яні тільця (лейкоцити), а останні можуть перетворитися на червоні кров'яні тільця (еритроцити). Лактотрансфузія мала єдину перевагу перед переливанням крові – вона не призводила до злипання еритроцитів та емболії (перекриття судин тромбом або бульбашкою повітря). Тільки у 80-х роках ХІХ сторіччя більшість вчених зійшлися на думці, що переливання крові безпечніше, ніж вливання молока.

Рідна чужа кров

Паралельно з молочними експериментами інші вчені пробували вливати кров від людини до людини. Частина спроб була вдалою, частина ж призводила до коагуляції (злипання частинок крові). Річ у тім, що тоді про групи крові ще ніхто не знав, лише у 1900 році Карл Ландштайнер відкрив три групи крові, ще через кілька років було відкрито четверту і через деякий час стало зрозуміло, що при проведенні гемотрансфузій слід враховувати групи крові, з’явилися поняття «універсальний донор» та «універсальний реципієнт». Пізніше лікарі навчилися зберігати кров за допомогою антикоагулянтів та холодильника. А вже в 1932 році з’явився перший банк крові. Далі почався стрімкий розвиток донорства в часи Другої Світової війни та після.

Чистий гемоглобін

У ХХ сторіччі стартував новий етап пошуку кровозамінників. З розвитком біохімії та молекулярних технологій, гемоглобін – білок що переносить кисень – навчилися виділяти з крові людей та тварин. Такий гемоглобін можна використовувати як замінник крові. Але все одно лишається ризик перенесення деяких інфекцій, хоч і значно менший. Наприклад, гемоглобін тваринного походження може бути джерелом пріонних хвороб. Альтернативою є гемоглобін синтезований генномодифікованими бактеріями. Усі три види гемоглобіну не мають такого атрибуту, як група крові, тому ізольований гемоглобін можна вливати будь-кому без попередніх тестів. Проте за відсутності природної оболонки – еритроцита – гемоглобін стає нестабільним і розпадається на окремі субодиниці. Для стабілізації білок зшивають з полімерними матрицями, наприклад поліетиленгліколем, або ж вміщують у капсулу подібну до оболонки клітини. На жаль, більшість технологій, які дають позитивні результати, є надто дорогими для втілення в широких масштабах.

ПФО та дихання у рідинах

Перспективніший варіант кровозамінників – перфторорганічні (ПФО) сполуки. Це сполуки вуглецю з фтором, за будовою подібні до вуглеводнів, але замість водню містять фтор. ПФО сполуки набагато інертніші ніж вуглеводні, оскільки енергія зв’язку C-F (вуглець-фтор) значно вища, ніж C-H (вуглець-водень). Цей зв’язок вважається найміцнішим в органічній хімії.

Дослідження показали, що ПФО сполуки дуже добре розчиняють гази, в тому числі кисень і діоксид вуглецю. У 1960-х роках виникла ідея використання ПФО сполук для дихання, експеримент відомий як liquid breathing. Піддослідних мишей занурювали у ПФО рідину і там вони виживали впродовж тижня і після того, повертаючись до нормального повітря, жили ще декілька тижнів. Сьогодні й досі ведуться розроблення в цьому напрямку для лікування ушкоджень легень.

Але за своєю природою ПФО сполуки зовсім не схожі на гемоглобін крові. На відміну від нього, кисень не зв’язується з ПФО речовинами, а розчиняється в них, тобто між ними не виникає хімічного зв’язку. Суспензії перфторвуглеводнів розчиняють до 40-50 об’ємних відсотків кисню та до 200 об’ємних відсотків діоксиду вуглецю. Така висока розчинна здатність зумовлена особливостями С-F зв’язку: взаємодія між окремими молекулами дуже слабка, і як результат, молекули газів легко займають місце в порожнинах між молекулами перфторвуглеводнів.

Інший наслідок наявності такого особливого зв’язку – надзвичайна гідрофобність і суттєва ліпофобність. Всі ми знаємо, що тефлонова пательня не змочується ані олією, ані водою. Так само і ПФО сполуки, що застосовуються для заміни крові, не змішуються з водним середовищем (пам’ятаємо, що плазма містить 90 % води) наявним у судинах. Тому до ПФО додають емульгатори. А от ліпофобність (нерозчинність у жирах) надає їм додатково біоінертності, оскільки вони слабо взаємодіють з ліпідними мембранами, якими оточені майже всі клітини.

То що ж відбувається з такими чужорідними сполуками в організмі людини? Фагоцити – клітини імунної системи – поглинають ПФО сполуки, які далі потрапляють знов у кров, але вже у ліпідній оболонці, направляються до легень і видихаються у вигляді парів. До того ж у живих організмах відсутня ферментна система, яка б руйнувала перфторвуглеводні. Такі ферменти просто не сформувалися еволюційно, оскільки в природі майже не існує перфторвуглеводнів.

Але все ж таки ПФО сполуки досі не знайшли широкого застосування ще й тому, що виведення їх з організму не така проста історія. Частина ПФО сполук затримується в тканинах і органах, а активізація імунної системи (фагоцитів) призводить до появи симптомів застуди або грипу. Крім того, пацієнтам, яким ввели ПФО препарат, дають дихати повітрям з високим вмістом кисню. А це може викликати кисневу інтоксикацію, при якій активізуються вільнорадикальні ланцюгові реакції.

Стовбурові клітини

Дуже цікавою і перспективною є технологія отримання еритроцитів зі стовбурових клітин. В організмі людини клітини крові утворюються з гемопоетичних стовбурових клітин (ГСК). Наразі проводяться експерименти з отримання еритроцитів з ГСК поза живим організмом (in vitro). Такі еритроцити є дуже близькими до нативних і теоретично ця технологія може дати безлімітний ресурс штучної крові. Але на цей час є проблема масштабування виробництва і такі еритроцити доступні лише в невеликих кількостях в лабораторних умовах.

Ліцензовані замінники крові

Деякі препарати штучної крові все ж отримали ліцензію. Наприклад, перфторан – розробка радянських вчених, більше відома як “блакитна кров”. Частинки емульсії перфторану у воді розсіюють біле світло таким чином, що рідина набуває відтінку небесної блакиті. Перфторан сьогодні має ліцензію в Росії, деяких країнах СНД та в Мексиці. Fluosol – перший та єдиний ПФО препарат зареєстрований FDA (Управління з продовольства і медикаментів США) у 1989 році, але відкликаний через 5 років через побічні ефекти. Oxygent – препарат, який не пройшов третю фазу клінічних досліджень через підвищений ризик інфаркту у пацієнтів у порівнянні із застосуванням донорської крові. Серед гемоглобінових препаратів є один, який затверджено у США та Європі як ветеринарний засіб – Oxyglobin. Він застосовується для лікування анемії у собак. А в Південній Африці препарат на основі гемоглобіну корів – Hemopure – отримав ліцензію і широке застосування через значну ВІЛ-контамінацію донорської крові.

Тож штучна кров – це не фантастика, а цілком реальна альтернатива донорській крові. Більшість наявних препаратів провалилися на ІІ або ІІІ фазах клінічних досліджень, але їх чекає подальше вдосконалення і чергові клінічні випробування. Можливо, через пару десятиліть штучну кров вже можна буде просто купити в аптеці, а донорство стане історією.

ДЖЕРЕЛО