Искусственная кровь — официально «кровезаменитель с функцией переноса кислорода» — решила бы многие проблемы, от нехватки доноров до риска заражения различными патогенами при переливании. Так почему пакетика с искусственной кровью нет в каждой аварийной аптечке? Оказывается, тысячи людей уже получили искусственную кровь, но широкого применения она не нашла. Разбираемся, почему.
Зачем нужна искусственная кровь?
В древние времена врачи пытались восполнять кровопотерю с помощью самых неожиданных материалов, таких как растительные смолы, молоко, пиво, куриная или овечья кровь и даже человеческая моча. Еще в последней четверти XIX века в США было популярно переливание молока от коров, коз и людей. Разумеется, пациенты после такой процедуры чаще всего умирали. Переливание крови одного человека другому бывало иногда успешным, а иногда смертельным.
Потом были открыты группы крови, и вроде бы все, проблема решена. Донор сдает кровь, ее проверяют на совместимость и безопасность и вливают реципиенту. Но, как обычно и бывает, не все так просто.
Донорской крови всегда не хватает. Во время пандемии COVID-19 многие больницы еще более остро ощутили дефицит. Человеческая кровь требует специальных условий хранения, имеет короткий срок годности и не является портативной — в аптечке в сухом виде ее не повозишь. Аллогенные переливания может сопровождаться осложнениями, включая острое повреждение легких, связанное с переливанием крови (TRALI-синдром), и трансфузионно-ассоциированную циркуляторную перегрузку (TACO-синдром). Бывает трудно найти совместимую кровь для людей с редкой группой. Некоторые люди отказываются от переливания человеческой крови по религиозным соображениям. Наконец, всегда есть вероятность, что донорская кровь заражена ВИЧ, гепатитом C или другими патогенами.
Так что интерес к созданию искусственной крови есть. В 2023 году DARPA (Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США) объявило о выделении 46,4 млн долларов двенадцати университетам и лабораториям для разработки искусственной крови. Финансирование рассчитано на четыре года, после чего исследователи рассчитывают подготовить проект для тестирования искусственной крови на людях с одобрения FDA. Ожидается, что клинические испытания начнутся в 2028–2030 годах.
Почему так сложно создать искусственную кровь?
Кровь — это ткань человеческого тела, пусть и жидкая. В плазме взвешены различные специализированные клетки, которые помогают крови выполнять ее многочисленные функции. Также в ней растворено множество молекул и молекулярных комплексов, которые необходимо доставить «по адресу».
Основная функция крови — это перенос кислорода и углекислого газа. Даже в состоянии покоя человеческое тело использует 250 мл кислорода в минуту, а во время нагрузки этот показатель возрастает до 5000 мл в мин. Недостаток кислорода может привести к смерти.
Кровь переносит не только кислород, но и питательные вещества — углеводы, белки, жиры, а также соли. В крови циркулируют гормоны. Кровь очищает ткани от продуктов жизнедеятельности, убирает избыток воды и углекислый газ. Еще она распределяет тепло, отводя его от источников нагрева и доставляя в отдаленные части тела. В крови много иммунных клеток. Наконец, при повреждении сосуда кровь может сворачиваться, образуя тромб, чтобы предотвратить ее дальнейшую потерю.
Из-за сложности состава вряд ли можно воспроизвести кровь в точности, особенно когда мы не до конца представляем себе, как она вырабатывается в организме. Но можно взяться за задачу по частям. Есть растворы для восстановления внутрисосудистого объема, водно-электролитного и кислотно-основного баланса, различные питательные и детокс-растворы. Но, повторим, самая важная функция крови — это все же транспорт кислорода, что с ее воспроизведением? Дальше мы будем говорить именно о кровезаменителях с функцией переноса кислорода.
Кислород плохо растворяется в воде, и кровь в 30 тысяч раз лучше переносит кислород, чем вода. Искусственные переносчики кислорода должны быть не менее эффективными.
Почему просто не использовать гемоглобин?
Первое, что приходит в голову, — использовать растворенный гемоглобин, природный переносчик кислорода. Так можно сразу избавиться от антигенов, определяющих группу крови, потому что эти антигены находятся на поверхности эритроцитов; нет эритроцитов — нет реакции несовместимости, — и получить еще множество преимуществ.
Но бесклеточный гемоглобин сам по себе не заменит эритроциты. Его сродство к кислороду слишком высоко для эффективной оксигенации тканей, период полураспада во внутрисосудистом пространстве слишком короткий, он может диссоциировать на токсичные фрагменты и поглощать оксид азота, вызывая вазоконстрикцию (сужение сосудов). Поэтому гемоглобин модифицируют и получают искусственные системы — переносчики кислорода на основе гемоглобина (HBOC, Haemoglobin-Based Oxygen Carriers).
Гемоглобин для кровезаменителей выделяют из крови коров и людей (часто уже недостаточно свежей для переливания). Его модифицируют путем полимеризации, образования дополнительных химических связей внутри белка или сшивки с полиэтиленгликолем (ПЭГ). Иногда гемоглобин заключают в липосомы. Также получают рекомбинантный гемоглобин, свойства которого можно менять в широких пределах.
Почему же HBOC не используют повсеместно? Один из самых больших их недостатков — все то же свойство поглощать оксид азота. Недостаток оксида азота нарушает функцию эндотелия, приводя к вазоконстрикции, окислительному стрессу и, в некоторых случаях, к гипертензивным сердечно-сосудистым реакциям.
Еще одна проблема — иммуногенность модифицированного гемоглобина. Повторное введение HBOC способно привести к накоплению макрофагов и изменениям в популяциях T-клеток. Иммунная реакция может досрочно вывести гемоглобин из организма. Более того, HBOC сами по себе деградируют и теряют свойства со временем.
Зачем вообще нужен гемоглобин?
Теоретически гемоглобин необязателен. Кислород и углекислый газ связываются с гемом — молекулой порфирина, ковалентно присоединенной к белковой части гемоглобина. Можно использовать другой переносчик кислорода или гем на другом носителе.
Интересный вариант, с которым давно экспериментируют ученые, — перфторсодержащие химические вещества (ПФУ, перфторуглеводороды). Они нерастворимы в воде и не смешиваются с кровью, поэтому используются в виде эмульсии. Частицы ПФУ в сто раз меньше эритроцитов. Такой малый размер позволяет им проходить через капилляры, по которым эритроциты не циркулируют. Теоретически это может принести пользу поврежденным, испытывающим недостаток крови тканям, до которых обычные эритроциты не могут добраться.
В чем еще преимущества ПФУ? Перфторуглеродные заменители крови полностью созданы человеком. То есть их можно производить в большом количестве и термически стерилизовать. Частицы ПФУ в растворе могут переносить в несколько раз больше кислорода на кубический сантиметр, чем кровь.
Широкое применение ПФУ пока не получили, и тому есть несколько причин. Они длительное время пребывают в организме (до 90 дней), что приводит к их накоплению в таких органах, как печень и селезенка, и увеличивает риск висцеральной токсичности. Кроме того, относительно большой размер частиц эмульсий ПФУ может провоцировать псевдоаллергическую реакцию, связанную с активацией комплемента (CARPA), окклюзию сосудов, тромбоз и легочную токсичность.
Системы липид-гем и подобные модели имели ограниченный успех в экспериментах in vivo. Неплохие результаты продемонстрировал и рекомбинантный человеческий сывороточный альбумин, конъюгированный с порфиринами железа, особенно в сочетании с ПЭГ.
Транспорт кислорода, опосредованный микро- или нанопузырьками, представляет собой многообещающий метод доставки кислорода в условиях гипоксии. Микропузырьки и нанопузырьки инкапсулируют газ внутри оболочек, состоящих из фосфолипидов, белков или полимеров. Их небольшой размер позволяет им проникать как в крупные, так и в мелкие кровеносные сосуды. Липидные оболочки, обычно используемые в микропузырьках, обеспечивают механическую стабильность и облегчают проницаемость кислорода. Белковые оболочки повышают стабильность и амфифильность, а полимерные оболочки устойчивы к сжатию и расширению. Выбор материала оболочки существенно влияет на безопасность и эффективность транспорта кислорода.
И все-таки клетки?
Некоторые ученые, по-видимому, считают, что лучше, чем природа, им не придумать, и снова возвращаются к эритроцитам. В первую очередь были предприняты попытки замаскировать поверхностные антигены с помощью ПЭГ, но это не решает такие проблемы, как дефицит, хранение и риск передачи заболеваний.
Для эритропоэза дифференцируют ex vivo, то есть вне организма гемопоэтические стволовые клетки и клетки-предшественники (hSPC) в зрелые эритроциты. Цитокины, такие как фактор стволовых клеток и эритропоэтин, поддерживают этот процесс. Источником hSPC может быть костный мозг, периферическая кровь, пуповинная кровь.
Также эритроциты можно получить из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC). Их дифференцируют в гематопоэтические, а затем и в эритроидные линии. Такие эритроциты могут быть получены в масштабируемых количествах и адаптированы к определенным антигенным профилям. Этот процесс постоянно модифицируется. Совсем недавно было установлено, что за выход ядра из эритробласта с образованием эритроцита отвечает хемокин CXCL12. Вполне возможно, что этот процесс станет экономически выгодным.
Не только перенос кислорода
Не так активно, но все же ведутся исследования с целью заменить другие компоненты крови, например, тромбоциты. Были получены синтетические или полусинтетические вещества, способные имитировать рецепторы или лиганды на поверхности тромбоцитов (GPIb, GPIIb, GPIX, vWF и фибриноген). Так, тромбоцитопению можно скорректировать с помощью рекомбинантного человеческого альбумина, рекомбинантного GPIa/IIa или полимеров, покрытых фибриногеном.
Искусственной крови не существует?
Огромная потребность в переносящем кислород кровезаменителе делает его получение привлекательной задачей для фармкомпаний. Так почему до сих пор в каждой больнице нет большого запаса искусственной крови? Важно понимать, что искусственная кровь создавалась снова и снова. HemAssist, Hemolink, Hemopure, PolyHeme, Fluosol и другие — они появлялись, получали одобрение и запрещались (в основном из-за проблем с безопасностью), использовались и пропадали из продажи. Продукт на основе ПФУ под названием «Перфторан» был одобрен в России, Казахстане и других странах, его ввели более чем 35 тыс. пациентам. Препарат Hemopure (Гемопюр) получил разрешение на клиническое применение в Южной Африке и России, а также разрешение на расширенное применение от FDA. Разработки идут постоянно, так что, надеемся, повсеместное внедрение искусственной крови — вопрос времени.
Больше статей о медико-биологических науках на нашем сайте