Что мешает ученым создать жизнеспособную синтетическую кровь?

Прочитано: 58 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


Многовековая погоня, возможно, наконец-то продвинулась вперед, но разработка этических способов тестирования этих продуктов является серьезной проблемой.

Еще в 1600-х годах, не имея альтернативы, врачи пытались переливать молоко и вино в кровоток своих пациентов с кровотечением. Когда это не удалось, они перешли на овечью кровь . Вскоре стало ясно, что эти методы лечения убивают людей, а не спасают их. К счастью, теперь мы знаем, что человеческая кровь, сданная кем-то с совместимой группой крови, — это то, что нужно. Затем эта кровь очищается, разделяется на компоненты и проверяется на наличие болезней, передающихся через кровь, таких как ВИЧ.

И все же существующая система не идеальна. В системах здравоохранения некоторых стран отсутствует инфраструктура, необходимая для безопасного сбора, хранения и доставки крови нуждающимся пациентам. Даже в странах с такими ресурсами есть сообщества с редкими группами крови, для которых может быть сложно найти совпадение в банке крови. Часто люди в этих общинах являются этническими меньшинствами.

Проще говоря, сильное кровотечение требует медицинской помощи. Проблема особенно остро стоит в опасных и удаленных местах, таких как зоны боевых действий. Вот почему после Второй мировой войны военные ученые начали задаваться вопросом, возможно ли производство крови. Вскоре последовали и гражданские исследователи, и так начались современные поиски искусственной крови.

Хотя ученые еще не создали жизнеспособный продукт искусственной крови, они добились некоторых успехов. Вместо того, чтобы пытаться воспроизвести сложность цельной крови и понять, как ее различные компоненты взаимодействуют друг с другом, ученые сосредоточились на создании отдельных компонентов крови. Сюда входят эритроциты, которые переносят кислород по всему телу; лейкоциты, которые борются с инфекциями; тромбоциты, которые сворачиваются для заживления порезов; и плазма, несущая такие вещества, как белки. В большинстве стран таким же образом обычно делают переливание крови — пациентам редко переливают цельную кровь. В зависимости от клинических потребностей пациента ему будет предоставлен либо один продукт крови, либо их комбинация. Относительно небольшое кровотечение может потребовать только эритроцитов,

Поиски этих лабораторных продуктов крови разделились на две основные области исследований. Первый направлен на производство полностью синтетических веществ, выполняющих те же функции, что и составные части крови, а второй направлен на использование стволовых клеток для создания клеток и веществ, биологически идентичных тем, которые содержатся в натуральной крови. У каждого подхода есть свои плюсы и минусы, но эксперты предсказывают, что некоторые из этих продуктов могут быть запущены в течение следующих 10 лет, если клинические испытания окажутся успешными.

«Донорство крови значительно сократилось во время пандемии, поскольку люди остаются дома», — сказал Коджи Это, биолог по стволовым клеткам из Киотского университета. «Вот почему эти усилия по производству продуктов крови так важны, чтобы убедиться, что у нас есть стабильное снабжение кровью, поскольку мы ожидаем будущих пандемий».

Синтез гемоглобина

Красные кровяные тельца содержат белок, называемый гемоглобином, который улавливает кислород в легких и распределяет его по другим органам. Доставка кислорода является важнейшей функцией крови, поэтому она всегда была важной характеристикой любых исследований искусственной крови. Первые эксперименты, положившие начало надеждам на синтетический путь к технологической крови, были проведены в 1950-х годах, и в них использовался чистый гемоглобин, который ученые выделили из крови человека или животных. Была надежда, что гемоглобин, даже без остальной архитектуры эритроцитов, все еще сможет переносить кислород. Если бы это было так, ученые перешли бы к синтезу гемоглобина в лаборатории.

Гемоглобин, однако, плохо работает вне эритроцитов. Вместо этого он распадается на более мелкие части, которые накапливаются в печени и почках, вызывая повреждения. В последующие десятилетия ученые модифицировали химический состав белков гемоглобина, чтобы они связывались друг с другом, что затрудняло их расщепление. Этот метод был в конечном итоге отложен после того, как в 2008 году обзор 16 исследований с участием 3700 пациентов показал, что сердечные приступы были более распространены и что лечение пациентов таким образом увеличивало риск смерти на 30%.

Одним из возможных объяснений повышенного риска сердечных приступов является то, что гемоглобин связывается не только с кислородом — он также имеет высокое сродство к оксиду азота, который регулирует, насколько открыты или закрыты кровеносные сосуды. Введение бесклеточного гемоглобина нарушает этот процесс, что может ограничить доступ крови к таким органам, как сердце.

«Вы испортили способность организма регулировать направление движения крови», — сказал Майкл Рид, профессор военной хирургии и медицины в Университете Квинсленда в Австралии. «Его сняли с производства по очевидным причинам, и с тех пор основное внимание уделяется упаковке гемоглобина, чтобы он не связывался с оксидом азота». Пока неясно, сработает ли этот подход.

Прогресс в области синтетических материалов был медленным отчасти потому, что кровь очень трудно изучать, сказал подполковник Мэтью Армстронг, изучающий гидродинамику крови в качестве инженера-химика в Военной академии США в Вест-Пойнте. «Как только он покидает тело, он начинает стареть», — сказал он. «Воспроизводимый эксперимент также сложен, потому что ваша кровь меняется в течение дня в зависимости от того, тренировались ли вы или что вы ели».

Ученые работают над способами увеличения срока хранения тромбоцитов, например, и их лиофилизация — одно из предложений, но трудности начинают возникать, когда их ресуспендируют в жидкости.

«Армия вложила миллионы в производство репликантов крови, которые будут использоваться в качестве причинно-следственных связей на поле боя, но до сих пор это ни к чему не привело», — сказал он. «Я не думаю, что они адекватно учли механические свойства крови».

По словам Армстронга, может быть важно тщательное понимание вязкости синтетических продуктов крови, механики их движения в жидкости и того, хорошо ли они соответствуют реальной сделке.

Биоинженерная кровь

Поскольку создание жизнеспособной искусственной крови было настолько сложной задачей, исследователи начали пробовать другой подход: манипулировать стволовыми клетками, чтобы они стали продуктами крови.

Если ученые смогут таким образом биоинженерно создавать продукты крови, такие как эритроциты или тромбоциты, они смогут обойти проблемы совместимости, которые так чреваты для синтетических продуктов крови.

Ученые могут взять у донора определенный тип стволовых клеток, известный как гемопоэтические клетки. Эти клетки уже способны превращаться в любые клетки крови; исследователи используют определенные сигнальные молекулы, чтобы затем превратить стволовые клетки в нужный им продукт крови. Этот процесс хорошо изучен и успешно применяется на протяжении многих лет. На самом деле, Это из Университета Киото сказал, что он успешно ввел тромбоциты, полученные из стволовых клеток, 52-летней пациентке, что он назвал первым в мире.

«Точка преткновения заключается в увеличении масштабов», — сказала Ребекка Гриффитс, старший научный сотрудник исследовательской группы Австралийского Красного Креста Lifeblood, поскольку одна стволовая клетка может дать только ограниченное количество эритроцитов. Ученые работают над тем, чтобы сгладить этот перегиб. В статье 2017 года Гриффитс и его коллеги описали процесс, известный как «иммортализация клеток», при котором они инокулировали клетки вирусом папилломы человека, когда они находились на ранней стадии своего превращения из стволовых клеток в эритроциты. «ВПЧ останавливает их дальнейшее созревание, а это означает, что клетки все еще могут размножаться», — сказал Гриффитс. Теоретически это обеспечивает устойчивый источник эритроцитов, который не зависит от регулярного донорства стволовых клеток.

И все же этот метод не лишен недостатков. Красные кровяные тельца не содержат ядра, поэтому они остаются достаточно гибкими, чтобы протискиваться сквозь крошечные кровеносные сосуды, не вызывая образования тромбов. Когда иммортализованные стволовые клетки теряют свои ядра, превращаясь в эритроциты, это избавляет от потенциально опасного ВПЧ. Однако некоторые из эритроцитов, созданных таким образом, не теряют должным образом свои ядра. Поэтому исследователи пытаются улучшить стратегии иммортализации, чтобы исправить эту ошибку.

Проблемы с клиническими испытаниями

По словам Рида, по сравнению с синтетическими препаратами продукты крови из стволовых клеток имеют преимущество, когда дело доходит до клинических испытаний. Спорный вопрос, могут ли ученые даже с этической точки зрения получить согласие пациентов отказаться от донорской крови, которая, как доказано, работает хорошо. Почему пациент должен выбирать синтетическую альтернативу, когда некоторые из проверенных продуктов имеют повышенный риск сердечных приступов?

Но в реальной жизни есть много ситуаций, когда донорская кровь невозможна. Для раненого солдата на удаленном поле боя, например, не имеет значения, что синтетический препарат крови не так эффективен, как донорская кровь, потому что такое переливание невозможно. В таких обстоятельствах лучший вопрос заключается в том, являются ли синтетические продукты более эффективными, чем ничего. Тем не менее, это сложный вопрос с научной точки зрения, сказал Рид. «В условиях, когда мы не можем сделать нормальное переливание крови, также сложно провести клиническое испытание», — сказал он.

Было бы возможно провести ретроспективное исследование, сравнивающее показатели выживаемости тех, кто получил искусственную кровь в условиях неотложной помощи, с теми, кто этого не сделал, но это сопряжено с ограничениями систематической ошибки. Те, кто получил такой искусственный продукт крови, также изначально пережили бы свою травму и, возможно, все равно выжили бы. Те, кто перенес тяжелую травму и мгновенно умер, не будут кандидатами на искусственную кровь, поэтому вполне возможно, что исследование переоценит пользу продукта искусственной крови.

Но если эти проблемы экспериментального дизайна удастся решить, на горизонте появится ряд многообещающих методов лечения, сказал Рид. В любом случае, эти усилия свидетельствуют о том, насколько далеко продвинулась современная медицина со времен переливания молока и вина.

Что мешает ученым создать жизнеспособную синтетическую кровь?



Новости партнеров