Искусственная кровь
Биофизик Михаил Пантелеев о проблемах донорской крови, выращивании и программировании новых клеток из стволовых и прототипах искусственных тромбоцитов
В настоящее время существует два варианта производства искусственных клеток крови — это клетки крови, выращенные в пробирке, или полностью искусственные объекты с функциями клеток крови.
Внутренняя среда организмов
Первые организмы на Земле были одноклеточными. Как только возникли многоклеточные, у них появилась проблема транспорта, потому что нужно доставлять питательные вещества к каждой клетке. Какие-то организмы решали эту проблему как губки, прокачивая большие объемы воды через себя так, что каждая клетка была в контакте с внешней средой. Другие, по-видимому, старались быть максимально плоскими для тех же целей. Но для того, чтобы получились истинные многоклеточные (или многотканевые), подходил единственный, самый эффективный вариант — жидкая внутренняя среда, которая разносила питательные вещества и уносила отходы жизнедеятельности. Однако, как только появились первые организмы, у которых была такая внутренняя среда, им сразу же были нужны механизмы защиты этой ценной жидкости от ее вытекания и вторжения чужаков при ранениях.
Исходно защитой занималась одна и та же клетка, которая чаще всего называется амебоцит. У разных беспозвоночных, которые живут сейчас, эти клетки называются по-разному в зависимости от их строения и типа внутренней среды (или сред). Относительно ко всем, у кого есть гемолимфа, используют слово «гемоцит», а у морских ежей, например, выделяют целомоциты, но более или менее универсальное название — амебоцит. На самом деле амебоциты есть даже у губок, и тут наблюдается полная аналогия с человеческим обществом: как только появляется общество со сколько-нибудь сложной структурой, сразу же происходит разделение на тех, кто работает, и тех, кто охраняет и наводит порядок. У губок тоже есть и стационарные клетки, и мобильные амебоциты.
Как только появляется полноценная внутренняя среда, амебоциты в ней становятся исключительно важными. Они плавают в этой среде и занимаются регенерацией по аналогии с нашими стволовыми клетками или охотятся на микробов, как наши лейкоциты. А когда возникает повреждение, они своим ходом плывут к месту повреждения и затыкают его, почти как наши тромбоциты. Но кислород они не разносят: у беспозвоночных пигмент для транспорта растворен в гемолимфе или, как у насекомых, для доставки кислорода используются трахеи. При этом амебоциты в целом могут быть разных типов или выполнять разные задачи в зависимости от зрелости, но радикальных различий между ними нет.
У позвоночных ситуация усложнилась, так как у них слишком высокие скорости потока и давление, а защитные клетки не могут сами приплыть к месту повреждения. Кроме этого, позвоночным нужно больше кислорода, а это значит, что просто растворить носитель кислорода в крови не получается. Его будет слишком много, и кровь будет слишком густой, поэтому его надо упаковать в какие-то «мешки». Система иммунитета тоже стала намного более мощной, и в результате у нас, позвоночных, особенно млекопитающих, произошло развитие амебоцитов до нескольких сильно непохожих ветвей. Это клетки крови: эритроциты, тромбоциты, лейкоциты. Несмотря на современную непохожесть, они до сих пор создаются из одного предшественника, потому что исходно это была одна и та же клетка.
Все три клетки специализируются на отдельных задачах: лейкоциты занимаются иммунитетом, эритроциты переносят кислород, а тромбоциты перекрывают своими телами место повреждения. Сейчас режим перекрывания места повреждения радикально изменился, поскольку тромбоциты при наших скоростях тока крови уже не могут сами туда приплыть. На тромбоцитах есть рецепторы — специальные молекулы, которые, когда тромбоциты мимо проносятся в потоке крови, цепляются за место повреждения. Они прикрепляются на коллаген в месте повреждения, застревают там, а следующие тромбоциты цепляются за те, которые уже застряли. Так начинает формироваться агрегат, тромбоцитарная пробка, которая перекрывает рану. Естественно, крупную рану в артерии пробка сама не перекроет, и рану нужно будет перебинтовать или зашить (есть дополнительные системы остановки кровотечений), но со всеми мелкими повреждениями, с которыми мы сталкиваемся по ходу обычной жизни, — царапинами, уколами, укусами, синяками — эта система справляется.
Мы можем воспроизвести элементы этой системы теперь: в последние 5 лет мы стали значительно лучше ее понимать. Мы знаем, какими белками тромбоциты прикрепляются друг за друга, какими рецепторами они цепляются за коллаген, какие липиды в составе тромбоцитов ускоряют реакции свертывания на их поверхности. Сейчас это можно неплохо имитировать, потому что для выполнения большей части этих функций не нужно иметь полноценную клетку — можно взять липосому или альбуминовую капсулу (обычно нанокапсулу размером в сотни нанометров) и вставить в нее нужные белки.
Но некоторые вещи, которые умеют делать тромбоциты, мы таким образом сделать не сможем. Например, тромбоциты несут в своих гранулах не менее семи факторов роста, которые занимаются регенерацией повреждений. Кроме того, тромбоциты умеют активироваться, переключаться в новый режим и в результате лучше цепляться друг за друга — такие свойства настоящих тромбоцитов реализовать с помощью липосом сложно.
Тем не менее сейчас (на самом деле уже более 10 лет назад) появились первые варианты искусственных тромбоцитов, которые воспроизводят часть тромбоцитарных функций, и в первую очередь они несут несколько рецепторов, позволяющих им закрепляться за те немногие тромбоциты, которые у человека остались. На довольно большом материале у животных и на первых стадиях клинических испытаний такие искусственные тромбоциты успешно останавливают кровотечения из ран. Однако проводить такие процедуры, когда у организма вообще не осталось собственных тромбоцитов вообще, не получится, но такое бывает редко.
Потребность в крови и искусственной крови
Нехватка тромбоцитов у человека происходит по нескольким причинам, которые можно разделить на две категории. Первая категория — это хронические заболевания, когда у человека плохо работают свои собственные тромбоциты. Например, произошла мутация и нет какого-нибудь белка, или возникла проблема с производством тромбоцитов и развивается какой-нибудь вариант анемии, или выработались антитела и стали убивать собственные тромбоциты человека. В таких случаях переливать тромбоциты в долгосрочной перспективе чаще всего противопоказано, потому что таким людям лечение нужно постоянно, а жить с чужими тромбоцитами постоянно невозможно: каждое переливание — это риски инфекции, острой иммунной реакции или выработки антител. Эти риски не очень большие, но при частых переливаниях опасения рано или поздно могут оправдаться. В острых случаях таким пациентам все равно помогает исключительно переливание тромбоцитов, а полностью искусственные клетки, в которых риски инфекции и некоторые другие можно свести к нулю, могут помочь этим людям перенести какую-нибудь операцию, чтобы хотя бы зуб можно было вырвать без риска смерти.
Второй сценарий нехватки тромбоцитов — это острые ситуации: травмы, объемные хирургические операции, пересадка костного мозга, химиотерапия, недоношенность и просто внезапное падение числа тромбоцитов, из-за чего начинается кровотечение в слизистых или грозит внутричерепное кровотечение. Этим людям обязательно нужно переливать тромбоциты, но из-за того, что эти клетки очень капризные, хранятся всего несколько дней и практически не переносят заморозку, во всех клиниках, где нет своих больших станций переливания крови, с тромбоцитами всегда возникают проблемы.
Донорские клетки крови и растворы для переливания
Любые клетки крови можно получить от донора, теоретически — в любом количестве. Но у донорских клеток есть несколько принципиальных проблем, и первая — это риски, связанные с заражениями и иммунными ответами, которые в принципе нельзя предотвратить для некоторых видов клеток, например для тромбоцитов, потому что мы не можем сейчас определять заразность крови со стопроцентной надежностью. То есть не определяются те концентрации вирусов, при которых они становятся заразными. Для других клеток возможна карантинизация, когда клетки криоконсервируют и пускают в дело только через несколько месяцев, сделав тому же донору повторный анализ, чтобы проверить, не начала ли развиваться болезнь. Есть способы инактивации вирусов в продуктах крови, но все возможные вирусы, прионы и иные патогены проверить или уничтожить невозможно ни для одного типа клеток. К тому же существует непредсказуемость иммунных ответов, которые могут быть опасны, особенно для людей с проблемным здоровьем.
Вторая проблема донорских клеток заключается в том, что они плохо хранятся, и тромбоциты в этом плане самые плохие. В некоторых случаях, например для лейкоцитов, есть другие сложности: переливать чужие лейкоциты в принципе достаточно рискованно, потому что это клетки иммунной системы, которые заточены на то, чтобы убивать чужое и помогать своему. Бывают специальные лейкоконцентраты и методы, позволяющие определять совместимость для минимизации рисков, но это достаточно непросто. Поэтому сейчас по клеткам крови наблюдается следующее распределение: во-первых, кровь никто никогда не переливает — просто потому, что это очень опасно и, самое главное, никогда не нужно. Порой доктора идут на такое от отчаяния, чтобы спасти жизнь людей во время полного отсутствия препаратов крови, но вообще такая практика полностью запрещена. Чаще всего людям просто переливают специальные растворы для восполнения объема крови (физраствор или иные), потому что это первое, что нужно при потере крови, иначе сердце не справляется. Во вторую очередь при более тяжелых кровопотерях или возникновении нужды переливают свежезамороженную плазму, для того чтобы решить проблемы со свертыванием. В третью очередь, если у человека не хватает гемоглобина, можно перелить эритроциты. Как ни странно, это оказывается нужно не так уж часто: наша кровь рассчитана на перенос кислорода с огромным запасом, в десятки раз больше, чем нужно человеку, тихо лежащему в реанимации. Наконец, в определенных ситуациях человеку переливают тромбоконцентраты: например, когда он лежит после пересадки костного мозга, у него первое время не работает кроветворение. В общем, каждый набор клеток переливают при разных обстоятельствах, в разных условиях, и с каждым есть свой набор проблем.
Искусственные клетки крови
Два самых проблемных пункта — это тромбоциты и лейкоциты. В производстве искусственных тромбоцитов сейчас идет соревнование двух описанных выше вариантов. Есть команды, которые уже делают тромбоциты из стволовых клеток. Достоинство этого варианта в том, что вы можете взять стволовые клетки или даже перепрограммировать иные клетки у будущего реципиента и сделать для него «родные» тромбоциты. Проблема в стоимости и производительности: сейчас производительность этого метода стремится к нулю, а стоимость является совершенно заоблачной. Кроме этого, существуют большие сомнения в том, насколько эти тромбоциты являются настоящими: получаются клетки, похожие на тромбоциты, но in vitro очень сложно воспроизвести весь процесс созревания настоящего тромбоцита. Есть работы, которые показывают, что эти клетки по тем или иным пунктам не совпадают с нормальными тромбоцитами, поэтому получается, что, с одной стороны, производство искусственных тромбоцитов из стволовых клеток в долгосрочной перспективе является очень привлекательным путем, который может дать идеально совместимые и полноценные тромбоциты, но, с другой стороны, этот путь очень и очень далекий, хотя и принципиально работающий.
Кроме выращивания тромбоцитов из стволовых клеток есть варианты изготовления совершенно искусственных тромбоцитов. Обычно это липидные микросферы или белковые нанокапсулы, в которых есть набор белков, обеспечивающих функции, похожие на тромбоцитарные. Такие объекты могут формировать агрегаты с тромбоцитами и перекрывать раны. Прототипы таких искусственных тромбоцитов существуют уже около 15 лет, некоторые из них доходили до второй стадии клинических испытаний, но пока что не пробились в клиническую практику. Однако эта технология в самое ближайшее время может дать вполне реальный продукт; сейчас идет соревнование между несколькими ведущими компаниями, создающими разные варианты таких тромбоцитов. Скорее всего, он в любом случае будет в чем-то проигрывать настоящим тромбоцитам, так как у него почти наверняка отсутствуют какие-то функции полноценных клеток, которые активно участвуют и в регенерации, и в иммунитете. Но он сможет останавливать кровотечения, и это главное. Это будет очень удобная для применения вещь — что-нибудь вроде порошка в банке, который может стоять на полке, а при необходимости разводиться водой и переливаться, например, в экспедициях, в военно-полевых условиях, при глобальных катастрофах без необходимости проверять совместимость или иметь под рукой сложное оборудование.
Пожалуй, тромбоциты — самый интересный, востребованный и реальный объект с точки зрения создания искусственных клеток крови в любом смысле. Хуже всего дело обстоит с лейкоцитами. Иммунитет — это сложная система, которую мы пока не умеем наладить с нуля. Создание полностью искусственного аналога для лейкоцитов, как обсуждалось выше для тромбоцитов и эритроцитов, пока кажется фантастикой — точнее, аналогов, ведь типов лейкоцитов много, у каждого из них сложные функции. Производство лейкоцитов из стволовых клеток кажется чуть более реалистичным, и работы в этом направлении идут. Полноценные нейтрофилы научились делать больше 10 лет назад. Но здесь очень много препятствий: надо уметь производить в достаточном количестве каждый из типов, а затем обучить эти клетки не атаковать хозяина. Теоретически эти проблемы могут быть решены, но сложности тут более серьезные, чем с тромбоцитами. В настоящее время недостаток лейкоцитов стараются лечить препаратами, стимулирующими их развитие. В краткосрочных случаях можно пойти на риски использования лейкоконцентратов, а в тяжелых случаях иммунодефицитов (или когда проблема не только с количеством клеток, но и с наличием в них дефектов) приходится идти на пересадку костного мозга.
Для замены эритроцитов можно делать — и люди этим занимаются — разнообразные варианты искусственных носителей кислорода, но это в каком-то смысле наименее интересная задача, потому что существуют донорские клетки, существует перфторан и его аналоги. Перфторан, часто называемый «голубой кровью», — это знаменитый носитель кислорода, разработанный в России. Кроме этого, эритроциты прекрасно переносят криоконсервирование, которое не только позволяет создавать большие запасы клеток крови и транспортировать их куда угодно, но также означает, что у человека можно взять эритроциты, а через полгода проверить, не проявился ли у этого человека СПИД, ВИЧ. Такая карантинизация сводит к минимуму риски заболеваний. Если говорить о плазме крови, то пока заменить природную плазму с ее разнообразием функций невозможно, хотя сейчас уже создаются искусственные растворы для переливания с коррекцией отдельных функций.
2017 Источник: postnauka.ru
