История крови. Самая древняя проблема обратной совместимости

Выйдя на сушу, мы захватили с собой в дорогу немного моря. Тонкая мембрана одноклеточных так легко пропускала соленую воду с кислородом и питательными веществами, что эволюция даже не попыталась реализовать этот механизм как-то иначе. Многоклеточные обросли тканями, развили внутренние органы, освоили половое размножение, но обмен веществ продолжался через соленую жидкость с белково-металлической примесью. Металл связывался с кислородом, а сама жидкость, которая теперь называлась «кровь», оказалась немного разбавлена по сравнению с морской водой, но не более того. В качестве носителя для кислорода большинство многоклеточных предпочли железо – один из самых распространенных металлов, который легко и разнообразно окисляется. Головоногие приматы моря ^[1], а также онихофоры ^[2] (бархатные черви) и некоторые членистоногие использовали вместо железа медь, поэтому кровь у них голубая (вместо гемоглобина они обзавелись аналогичным белком гемоцианином). Голотурии (морские огурцы) используют ванадий, из-за которого их кровь также синяя. До сих пор не вполне понятно, нужен ли им ванадий для дыхания (и образует аналог гемоглобина) или для питания (как магний в хлорофилле), но в Японии тем временем выращивают целые плантации голотурий ^[3] для получения ванадия. Тем не менее, наиболее подходящим для крови металлом оказалось именно железо, так как оно достаточно распространенное и при этом не слишком токсичное. Поэтому кровь у всех позвоночных красная.

Кажется неудивительным, что такой древний и универсальный раствор оказался биологически незаменимым. Притом, что попытки переливания крови (в том числе, удачные) восходят к глубокой древности, относительно годные кровезаменители появились только в конце прошлого века, а искусственная кровь не изобретена до сих пор. Кровь жизнетворна и опасна, так как легко разносит по организму не только кислород, но и заразу, кровеносные сосуды легко закупориваются тромбами или пузырьками воздуха, а тема доставки кислорода к тканям и органам во времена нынешней пандемии, наверное, актуальна для каждого.

Жесткий исторический контекст

Тесная связь нормального кровоснабжения с самочувствием и здоровьем, а также явная причинно-следственная связь между кровопотерей и смертью приводила к отождествлению крови с эликсиром жизни и молодости. К V веку до н.э. относятся первые попытки концептуализировать роль крови в жизненном цикле. На раннем этапе эти поиски совпали с философией Эмпедокла  (около 490-430 до н.э.), рассуждавшего о существовании четырех мировых стихий (огня, земли, воды и воздуха), соотношение которых регулирует все мировые процессы. Гиппократ предположил, что именно эти стихии участвуют в формировании четырех важнейших жидкостей человеческого тела – крови, желчи, слизи и черной желчи, давая начало, соответственно, четырем темпераментам: сангвиник, холерик, флегматик и меланхолик. Именно ко времени Гиппократа (460-370 до н.э.) возникли представления о том, что не так опасно малокровие, как избыток крови; темная венозная кровь стала считаться «грязной», и постепенно начала распространяться практика кровопусканий. Древнеримский врач Гален ^[4] (129-216), известный колоссальным практическим опытом (работал около 70 лет) и смелыми экспериментами, в частности, рассечением спинного мозга ^[5] и первыми исследованиями нервной деятельности, описал принцип работы сердца и указал, что центр кроветворения находится в печени.

Тем не менее, в средние века кровь по-прежнему понимали как мистическую и священную субстанцию, то есть, практически не понимали. Экспериментальное исследование крови в Европе началось только в начале XVII века, когда Уильям Гарвей впервые описал принцип циркуляции крови у человека. ^[6] Примерно к тому времени относятся и первые попытки переливания крови. Эти опыты проводились без какого-либо представления о группах крови. При этом известно ^[7], что переливание крови осуществляли инки – звучит правдоподобно, поскольку практически все индейцы по сей день обладают первой группой крови (О), и такая операция должна была происходить без каких-либо проблем.

В Европе же в XVII веке кровь была всего одной из жидкостей, которой лекари пытались разбавлять кровоток. Поскольку сохранялись гиппократовские представления о связи крови и темперамента, а также о том, что пагубен скорее переизбыток крови, чем малокровие. В кровь ради забавы делали инъекции молока, вина и пива, а буйных помешанных пытались умиротворять переливанием крови ягнят ^[8], чтобы сделать их кроткими. В 1667 году французский врач Жан-Батист Дени перелил ^[9] 15-летнему мальчику овечью кровь (отсосанную пиявками) для восполнения кровопотери, и мальчик после этого выжил. Но уже в конце XVII века переливание крови от животных к человеку было запрещено из-за того, каким плачевным исходом обычно заканчивалось. В качестве экстренной меры переливание крови все-таки совершалось (в 1819 году акушер Джеймс Бланделл успешно перелил женщине кровь ^[10] ее мужа при сильной послеродовой кровопотере – и это было первое известное успешное переливание крови от человека к человеку). Но ситуация «рулетки» при переливании крови сохранялась вплоть до конца XIX века, когда в 1900 году Карл Ландштайнер открыл первые три группы крови (O, A, B) и описал принципы их формирования и сочетания. В 1902 году его ученик Адриано Штурли открыл и IV группу крови (AB), а в 1930 году Ландштайнер был удостоен Нобелевской премии за свое открытие.

Тем временем на протяжении большей части XIX века переливание крови считалось гиблым делом, поэтому уже тогда начались первые новаторские ^[11] исследования по поиску кровезаменителей.           

Альтернативы крови

Исследования кровезаменителей начались в конце XIX века. В поисках подобного вещества Т. Гальярд Томас (T. Galliard Thomas) пробовал делать внутривенные инфузии коровьего молока; он назвал этот процесс «лактальными инъекциями». Он указывал на химическое сходство молока и лимфы, отмечая, что обе эти жидкости близки по составу к плазме крови и представляют собой жировые эмульсии. Он сообщал, что ввел троим тяжелобольным пациентам примерно по 8 унций (т. е., примерно по 250 мл) свежего коровьего молока, и двое из этих пациентов погибли, а один выжил. Но уже в начале XX века подобные поиски пошли в более логичном направлении: врачи начали подбирать растворы гемоглобина. Эмберсон и др. проводили эксперименты, в которых полностью заменяли кровь у подопытной кошки на смесь физиологического раствора Рингера ^[12] с молоком и гемоглобином. Было доказано, что при подобной замене животное выживает в течение некоторого времени. Но раствор гемоглобина проявил неожиданные токсические свойства: он вызывал сосудистую гипертензию и почечную недостаточность, из-за которой животные и умирали. Чистый гемоглобин быстро распадался в крови на белковую часть и железистую (гем). Гем откладывался в почках, не только блокируя их функцию, но и вызывая сужение сосудов в почках и на подходе к ним. Организм пытался выводить гем примерно как и любое другое токсичное метало-органическое соединение. Но даже если гемоглобин попадает в плазму, печень расщепляет его на более простые соединения (димеры), поэтому раствор перестает работать вскоре после переливания.

Здесь мы подходим к важному свойству крови, связанному с неоднородностью состава крови: кровь – это не просто раствор, а раствор, содержащий специализированные функциональные частицы. Фактически, требуется отдельно производить эти компоненты крови, «текучий» и «дискретный», а уже затем правильно их смешивать.

Жидкая часть крови называется «плазма», состоит из воды, солей и белка. В крови присутствует три основных вида клеток: эритроциты (красные тельца), лейкоциты и лимфоциты (белые кровяные тельца) и тромбоциты. Красные тельца обеспечивают транспорт кислорода к органам и тканям, белые – защитные функции (их работа тесно связана с иммунитетом), а тромбоциты – ремонтные (заживление ран и препятствование кровопотере).

При изготовлении кровезаменителя приходится решать две задачи: перенос кислорода и свертывание, то есть, заживление ран. Желательно также решать проблему с кроветворением. Соответственно, логично производить искусственную кровь и искусственные тромбоциты, которые были бы совместимы как с искусственной, так и с естественной кровью.  

Ключевая проблема: гемоглобин, доставляющий кислород от легких к дышащим тканям, может повреждать ткани и вызывать сужение кровеносных сосудов. Именно поэтому гемоглобин заключен в эритроцитах, а не течет в сосудах свободно – эритроциты изолируют его и сглаживают вредные свойства железа. Любой потенциально успешный аналог крови должен в первую очередь быть избавлен от недостатков гемоглобина.

Итак, резюмируем известные недостатки естественной крови и потенциальные достоинства кровезаменителей, чтобы было понятнее, в каком направлении идут современные исследования.

1)     Донорская кровь может вызывать иммунную реакцию

2)     Инфицирование, например, передача ВИЧ

3)     Кровь быстро портится. Срок ее хранения в холодильнике при температуре 6 ºC не превышает 42 дней, тогда как высушенные кровезаменители можно даже при комнатной температуре хранить до двух лет

4)     Население стареет, поэтому увеличивается количество операций, требующих переливания крови, а количество молодых здоровых людей, желающих быть донорами, уменьшается

5)     Кровезаменители не обязательно должны быть функционально эквивалентны крови; так, они могли бы доставлять кислород эффективнее и быстрее, но при этом не так активно свертываться, чтобы не вызывать тромбов.

6)     Кровезаменитель работает независимо от группы крови и резус-фактора

7)     Кровезаменители могли бы быть предпочтительнее крови в качестве наполнителя для органов, приготовленных для трансплантации

Синтетические кровезаменители

Один из разрабатываемых сейчас кровезаменителей основан на использовании перфторуглеводородов ^[13]. Это органические соединения, хорошо «впитывающие» кислород, поскольку на молекулярном уровне в них имеется много больших пустот, куда помещаются атомы кислорода. Перфторуглеводороды не вступают в биохимические реакции, поэтому не отторгаются организмом. Эти соединения давно используются при разработке смесей для жидкостного дыхания ^[14], играющего важную роль в сюжете научно-фантастического фильма «Бездна» от Джеймса Кэмерона:

Перенос кислорода при помощи перфторуглеводородов для обеспечения тканей кислородом – более сложный процесс, поэтому в процессе кровезаменителя перфторуглероды смешиваются с жироподобными соединениями липидами, служащими им изолирующей оболочкой, примерно как эритроциты – гемоглобину.

 В данном случае сложнее всего подобрать такую концентрацию липидов, которая работала бы наиболее эффективно. Слишком высокая концентрация опасна для реципиента, а при недостаточной концентрации препарат работать не будет. В настоящее время ни один подобный кровезаменитель к использованию не одобрен.

 Кровезаменители другого типа основаны на гемоглобине, они называются HBOC – «hemoglobin-based organic compounds». Как уже говорилось выше, без оболочки гемоглобин распадается на димеры, токсичен для почек и печени – что характерно и для HBOC. Однако, при применении HBOC можно самостоятельно собрать органическую оболочку для этих молекул. Избавляясь от эритроцитов, мы избавляемся и от Rh-белков, входящих в состав их мембран, а значит, исчезают и группы крови, и присущая им частичная несовместимость.  

Кроме того, гемоглобин активно связывает оксид азота, производимый оболочкой, выстилающей внутреннюю поверхность кровеносных сосудов. Оксид азота помогает держать просвет кровеносных сосудов относительно широким:

Но, если быстро вывести из крови оксид азота, что и делает гемоглобин, то сосуды резко сжимаются, и это приводит к сердечно-сосудистой недостаточности и образованию тромбов. Поэтому новое поколение гемоглобиновых HBOC-кровезаменителей характеризуется отложенной опасностью: у пациентов, получавших такие лекарства, на 30% возрастал риск смерти и наполовину – риск сердечного приступа.

Пытаясь решить эти проблемы с гемоглобином, стартап KaloCyte (в переводе с греческого – «хорошая клетка») создал препарат Erythromer ^[15], представляющий собой искусственные эритроциты, которые можно не только применять независимо от группы крови, но и подолгу хранить в высушенном виде.

Среди важнейших достоинств эритромера – его умный отклик на то, куда именно нужно подогнать кислород; препарат определяет это, реагируя на уровень pH в крови. При этом капсулы эритромера совсем мелкие, каждая примерно в пятьдесят раз меньше эритроцита. С одной стороны, из-за этого повышается риск утечки эритромера из кровеносных сосудов в окружающие ткани, поскольку у старого или больного человека стенки сосудов истончаются. С другой стороны, эритромер гораздо мобильнее эритроцитов и вполне может даже обходить нарождающиеся тромбы, повышая шансы пациента на выживание, а также спасать пациентов с серповидноклеточной анемией ^[16].   

Искусственные тромбоциты

Выше речь шла о поиске искусственной замены для эритроцитов. Потребность в искусственном аналоге тромбоцитов еще выше. Основная функция тромбоцитов – обеспечивать свертывание крови; соответственно, искусственные тромбоциты могли бы пригодиться в экстренных ситуациях, когда у человека большая кровопотеря, и счет времени идет буквально на часы. Естественные тромбоциты для этой цели слишком быстро портятся: при комнатной температуре они сохраняют свои функции в течение пяти дней, а в замороженном виде могут храниться не более трех недель. Более того, при применении высушенных тромбоцитов все равно нужна донорская кровь. Поэтому в настоящее время продолжается разработка синтетических частиц, которые могли бы обеспечивать свертывание, попадая в кровь пациента. Еще в 1990-е годы предпринимались попытки реализовать тромбоциты (как и эритроциты) на уровне липосом, то есть, покрывать жировые капли белком фибриногеном ^[17] и наполнять кровь таким «цементом». Последствия были катастрофическими: этот «цемент» свертывался где придется, а не поступал к ране и не заделывал ее; нормальные тромбоциты должны концентрироваться именно у раны, а не расплываться по телу, поскольку последний случай повышает риск инсульта.  Препарат SynthoPlate – это все те же липосомы, но с такими белками на оболочке, которые позволяют им связываться не друг с другом, а только с натуральными тромбоцитами. Другая разновидность синтетических тромбоцитов, разрабатываемых в университете Северной Каролины, связывается только с полимеризованным фибрином, который также формируется лишь на месте раны. Впрочем, в крови тяжелораненого человека идет настоящая война, и, добавив в нее искусственные тромбоциты, легко спровоцировать всплеск иммунного ответа и обострить воспаление, которое уже началось. Представляется перспективным получать тромбоциты из стволовых клеток ^[18], и, если этот процесс удастся сделать быстрым и предсказуемым, то, возможно, именно за ним будущее полевой хирургии.    

Итак, под электронным микроскопом кровь превращается из полумистического эликсира жизни в слегка винтажный ^[19]

приспособленный для эксплуатации в молодом здоровом организме, причем, жить этот организм должен в богатой кислородом атмосфере. Остается посмотреть, наметится ли прогресс в этой области при реальной перспективе колонизации Марса и/или киборгизации человека – что, конечно, темы уже для совсем других историй.