История искусственной крови: как донорами становились мертвецы, быки и киты


image

Сегодня в России отмечается Национальный день донора, инициированный в честь события, случившегося 20 апреля 1832 года. В тот день петербургский акушер Андрей Вольф впервые успешно провел переливание крови роженице с кровотечением.

Одной только Москве ежедневно требуется более 200 литров крови. В среднем только в столице за год переливается до 50 тысяч литров компонентов донорской крови — остальное «доливается» из других регионов России. Не сказать, что где-то в стране есть большая концентрация доноров — для обеспечения полной потребности необходимо, чтобы их на каждую тысячу населения приходилось 40–60 человек, но этот показатель ниже и с годами не растет.

Через Добро Mail.Ru мы регулярно рассказываем о благотворительных проектах, в которых может принять участие каждый — в том числе в качестве донора. Но раз крови не хватает от «естественного» источника, значит, нужно искать альтернативы. Разберемся, где должны скрываться ее безграничные запасы.


Самая безопасная кровь

image

Начнем с того, что люди пользуются донорской помощью за неимением другой. Сама же кровь от донора может быть источником множества опасностей. Иногда люди являются носителями всяких инфекций, не подозревая об этом. Быстрый анализ проверяет кровь на СПИД, гепатит, сифилис, но остальные вирусы и инфекции не могут быть сразу выявлены, если и сам донор о них не знает.

Несмотря на защитные меры, различные вирусы часто передаются вместе с кровью. Например, герпес, цитомегаловирус, папилломавирус. Иногда передается и гепатит, поскольку тесты могут определить наличие гепатита только через несколько месяцев после его попадания в кровь.
Свежую кровь можно хранить только 42 дня (примерно) и всего несколько часов без охлаждения. Статистика по США говорит, что там за один день около 46 человек погибают из-за потери крови — и это еще одна причина, почему ученые (не только в Штатах) работают в течение многих десятилетий, чтобы найти подходящий кровезаменитель.

Искусственная кровь избавила бы от всех проблем. Искусственная кровь может быть лучше настоящей. Представьте, что она подходит пациентам с любой группой, хранится дольше обычной крови и в более щадящих условиях, изготавливается быстро и в больших количествах. Кроме того, стоимость искусственной крови можно сделать ниже стоимости крови от доноров.


Гемоглобиновый кризис

image

Попытки создать искусственную кровь ведутся уже около 60 лет. А если взять за основу эксперименты советского хирурга Владимира Шамова по переливанию трупной крови, впервые проведенные в 1928 году, то получается, что путь к переливанию крови не от обычных доноров насчитывает почти 90 лет.

Трупная кровь не сворачивается из-за отсутствия в ней белка фибриногена, не требует добавления стабилизатора для хранения и может быть перелита пациенту с любой группой крови. Получить ее можно довольно много — один труп в среднем позволяет заготовить 2,9 л крови.

В 1930 году советский хирург и ученый Сергей Юдин впервые применил в клинике переливание крови внезапно умерших людей. Впоследствии полученный опыт успешно применялся в годы Великой Отечественной войны, когда кровь, полученная от мертвых, зачастую становилась единственным шансом на выживание раненых бойцов.

Первые, относительно успешные эксперименты с синтетической кровью начались в 80-е годы прошлого века, когда ученые пытались решить задачу доставки кислорода к органам. Искусственные клетки изготавливались из очищенного человеческого гемоглобина, несущего кислород белка. Однако оказалось, что гемоглобин вне клетки плохо взаимодействует с органами, повреждает ткань и приводит к сужению сосудов. Во время клинических испытаний первых заменителей крови некоторые пациенты перенесли инсульты. На этом эксперименты не закончились, просто в кровезаменителях молекулы гемоглобина получили покрытие из специального синтетического полимера.

image
Кровь. Просто добавь воды

Защищенные молекулы представляют собой порошок, который можно использовать где угодно, залив водой. Синтетические клетки могут использоваться с любым типом крови и хранятся долгое время при комнатной температуре. Однако они не помогут при сильной кровопотере и поддерживают пациента лишь до момента, пока не будет сделано переливание настоящей крови от донора.

В другом исследовании вместо гемоглобина использовались перфторуглеводороды. Это углеводороды, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. Они способны растворять большое количество разных газов, включая кислород.

image
В этих бутылках — Oxycyte, белая искусственная кровь, состоящая из нескольких перфторуглеродов

Заменитель гемоглобина на основе перфторуглеводорода Fluosol-DA-20 был разработан в Японии и впервые опробован в Соединенных Штатах в ноябре 1979 года. Первыми его получили пациенты, которые отказались от переливания крови по религиозным причинам. С 1989 по 1992 годы Fluosol применяли более 40 000 человек. Из-за трудностей с хранением препарата и высокой стоимости, его популярность снизилась, и производство закрыли. В 2014 году появился перфторуглеводородный препарат Oxycyte, но испытания свернули по неизвестным причинам.

Была также предпринята попытка создать заменитель крови на основе бычьего гемоглобина. Переносчик кислорода Hemopure был стабилен в течение 36 месяцев при комнатной температуре и совместим со всеми группами крови. Hemopure одобрили для коммерческих продаж в Южной Африке в апреле 2001 года. В 2009 году производитель Hemopure обанкротился, так и не добившись разрешения клинического тестирования продукта на людях в США.


Тернистый путь имитаторов

Нанесение полимерного покрытия на молекулы гемоглобина — кропотливый процесс, который не удешевляет стоимость искусственной крови. Кроме того, гемоглобин — это лишь часть проблемы. Каждый набор клеток (эритроциты, тромбоциты и лейкоциты) имеет свое значение для организма. Разработки в области кровезаменителей в основном направлены на воспроизведение лишь одной функции крови: снабжение тканей кислородом. Другими словами, область за пределами кислородно-транспортных эритроцитов — непроходимая чаща опасностей для ученых.

Как рассказывал биофизик Михаил Пантелеев в статье о проблемах искусственной крови, за последние годы удалось значительно продвинуться в области имитации тромбоцитов, отвечающих за устранение повреждений при небольших кровотечениях. Ученые берут липосому или нанокапсулу размером в сотни нанометров и вставляют в нее нужные белки. Искусственные тромбоциты позволяют закрепляться за те немногие тромбоциты, которые у человека еще остались при сильной кровопотере. Но когда у организма не остается своих собственных тромбоцитов, искусственные уже ничем не помогут.

Несмотря на то, что искусственные тромбоциты не обладают всеми функциями настоящих живых клеток, ими можно успешно останавливать кровотечения в экстренных случаях.

image
Так выглядит кровь из морских червей

С правильно подобранными белками можно сделать много интересного. Румынские ученые из университета Бабеш-Бойяи создали искусственный заменитель крови на основе железосодержащего белка гемэритрина, который используют для транспорта кислорода некоторые разновидности морских червей. Команда биохимиков из Университета Райса пошла глубже и стала использовать белки из мышц китов. Оказалось, что у китов есть накапливающий кислород в мышцах миоглобин, похожий на гемоглобин из человеческой крови. Глубоководные животные, обладая большим запасом кислорода в мышцах, долгое время могут не всплывать на поверхность. На основе изучения китового белка можно будет повысить эффективность синтеза гемоглобина в искусственных эритроцитах.

Намного хуже дела обстоят с лейкоцитами, являющимися неотъемлемой частью иммунной системы организма. Те же самые эритроциты, переносчики кислорода, можно заменить искусственными аналогами — например, созданным в России перфтораном. Для лейкоцитов ничего лучше стволовых клеток не придумали, но на этом пути оказалось слишком много сложностей, связанных с агрессивными действиями клеток против нового хозяина.


Нанокровь

image

Роберт Фрайтас, автор первого технического исследования потенциального медицинского применения гипотетической молекулярной нанотехнологии и гипотетической медицинской нанороботехники, разработал детализированный проект создания искусственного эритроцита, который он назвал «респироцит».

В 2002 году Фрайтас в книге «Roboblood» (робототехническая кровь) предложил концепцию искусственной крови, в которой вместо биологических клеток будут 500 триллионов нанороботов. Фрайтас представляет кровь будущего в виде сложной мультисегментной нанотехнологической медицинской робототехнической системы, способной обмениваться газами, глюкозой, гормонами, выводить отходы клеточных компонентов, осуществлять процесс деления цитоплазмы и т.д.

На момент создания концепта работа выглядела полной фантастикой, но спустя 15 лет, то есть уже сейчас, в 2017 году, японские ученые сообщили о создании биомолекулярного микроробота, управляемого ДНК. Японские исследователи решили одну из самых сложных задач нанотехнологий — обеспечили механизм движения устройства за счет использования синтетической одноцепочечной ДНК.

В 2016 году швейцарские ученые опубликовали исследование в журнале Nature Communication о создании прототипа наноробота, способного проводить операции внутри человека. В конструкции нет двигателей и жестких соединений, а само тело создано из гидрогеля, совместимого с живыми тканями. Движение в этом случае осуществляется за счет магнитных наночастиц и электромагнитного поля.

Фрайтас, ориентируясь на эти исследования, сохраняет оптимизм: он уверен, что через 20–30 лет удастся заменить кровь человека нанороботами, получающими питание из глюкозы и кислорода. Производить электроэнергию из глюкозы организма японские ученые уже научились.


Кровь из стволовых клеток

image
Гемопоэтические стволовые клетки, полученные из костного мозга, дают начало всем типам клеток крови

В 2008 году удалось наладить производство клеток крови из плюрипотентных стволовых клеток (способных обретать разные функции), полученных из органов человека. Стволовые клетки оказались лучшим источников красных кровяных телец.

В 2011 году исследователи из Университета Пьера и Мари Кюри (Франция) провели первое небольшое переливание добровольцам выращенных в лаборатории красных кровяных клеток. Эти клетки вели себя так же, как нормальные эритроциты, причем около 50% из них все еще циркулировали в крови через 26 дней после переливания. В эксперименте добровольцам влили 10 миллиардов искусственных клеток, что эквивалентно 2 миллилитрам крови.

Эксперимент прошел успешно, но возникла другая проблема — одна кроветворная стволовая клетка была способна произвести всего до 50 тыс. красных кровяных телец, после чего погибала. Получение новых стволовых клеток — процесс не дешевый, поэтому стоимость одного литра искусственной крови становилась слишком высокой.

В 2017 году ученые из Государственной службы донорства и трансплантации Национальной службы здравоохранения Великобритании (NHS Blood and Transplant) совместно с коллегами из Бристольского университета провели эксперименты с гемопоэтическими стволовыми клетками. Оказалось, что чем более ранней является клетка, тем выше ее способность к регенерации — так, с помощью всего одной гемопоэтической клетки можно восстановить всю кроветворную ткань у мыши. Ученым удалось использовать для производства искусственной крови стволовые клетки на ранних стадиях развития, что наконец-то дало возможность производить ее почти в неограниченных количествах.

Созданные таким образом эритроциты в конце 2017 года начнут испытывать на людях. Непрерывная генерация эритроцитов из подходящих клеток снижает стоимость искусственной крови, но ее будущее зависит от прохождения стадии клинических испытаний.

И даже после успешных клинических испытаний никто не сможет заменить обычных доноров. Искусственная кровь в первые годы появления будет помогать людям с редкой группой крови, в горячих точках и в беднейших странах мира.


Источники:

Missouri Researchers Join Hunt For One Of Medicine«s Elusive Quarries: Artificial Blood
Mass-produced artificial blood is now a real possibility
The Long Quest To Create Artificial Blood May Soon Be Over
What is artificial blood and why is the UK going to trial it?
The quest for one of science«s holy grails: artificial blood

© Geektimes