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, а также онихофоры (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 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 (129-216), известный колоссальным практическим опытом (работал около 70 лет) и смелыми экспериментами, в частности, рассечением спинного мозга 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. Примерно к тому времени относятся и первые попытки переливания крови. Эти опыты проводились без какого-либо представления о группах крови. При этом известно, 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, чтобы сделать их кроткими. В 1667 году французский врач Жан-Батист Дени перелил 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 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 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 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. 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, 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 кровезамещения 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, 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.
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 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, 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
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.
