Как работает искусственная кровь

[Carder]

Красные кровяные тельца, также называемые эритроцитами, имеют форму двояковогнутых дисков. Узнайте об искусственной крови и многом другом с помощью изображений современной медицины.

Врачи и ученые придумали множество устройств, которые могут заменить сломанные или изнашиваемые части тела. Например, сердце - это насос; Искусственное сердце - это механический насос, который перемещает кровь. Точно так же при полной замене коленного сустава кости и хрящи заменяются металлом и пластиком. Протезы конечностей становятся все более сложными, но они по-прежнему остаются механическими устройствами, которые могут выполнять работу рук или ног. Все это довольно легко понять - замена органа на искусственную замену обычно имеет смысл.
С другой стороны, искусственная кровь может ошеломить. Одна из причин заключается в том, что большинство людей думают о крови как о чем-то большем, чем просто соединительная ткань, переносящая кислород и питательные вещества. Вместо этого кровь представляет жизнь. Многие культуры и религии придают ему особое значение, и его важность даже повлияла на английский язык. Вы можете сослаться на свои культурные или наследственные черты как на принадлежащие вам. Члены вашей семьи - ваши кровные родственники. Если вы возмущены, у вас закипает кровь. Если ты напуган, он остывает.
Кровь несет все эти коннотации не зря - она абсолютно необходима для выживания позвоночных форм жизни, включая людей. Он переносит кислород из легких ко всем клеткам вашего тела. Он также улавливает ненужный вам углекислый газ и возвращает его в легкие, чтобы вы могли выдохнуть. Кровь доставляет питательные вещества из пищеварительной системы и гормоны из эндокринной системы в те части вашего тела, которые в них нуждаются. Он проходит через почки и печень, которые удаляют или расщепляют шлаки и токсины. Иммунные клетки в крови помогают предотвращать и бороться с болезнями и инфекциями. В крови также могут образовываться сгустки, предотвращающие смертельную потерю крови из-за мелких порезов и царапин.
Затем узнайте о различных компонентах крови и о том, почему может потребоваться искусственная кровь.

Содержание

1. Что такое кровь?
2. Искусственные клетки крови
3. HBOC Кровь
4. PFC Кровь
5. Противоречие искусственной крови

Что такое кровь?​

Изображение нормальной циркулирующей человеческой крови, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Может показаться невероятным или даже невозможным, чтобы искусственное вещество могло заменить что-то, что выполняет всю эту работу и занимает центральное место в жизни человека. Чтобы понять процесс, полезно немного узнать о том, как работает настоящая кровь. Кровь состоит из двух основных компонентов - плазмы и форменных элементов. Почти все, что переносится кровью, включая питательные вещества, гормоны и отходы, растворяется в плазме, которая в основном состоит из воды. Сформированные элементы, которыми являются клетки и их части, также плавают в плазме. К сформированным элементам относятся лейкоциты (лейкоциты), которые являются частью иммунной системы, и тромбоциты, которые помогают формировать сгустки. Эритроциты (эритроциты) отвечают за одну из важнейших задач крови - перенос кислорода и углекислого газа.
Эритроцитов много; они составляют более 90 процентов форменных элементов в крови. Практически все в них помогает им более эффективно переносить кислород. RBC имеет форму диска, вогнутого с обеих сторон, поэтому у него есть большая площадь поверхности для поглощения и выделения кислорода. Его мембрана очень гибкая и не имеет ядра, поэтому она может проходить через крошечные капилляры, не разрываясь.
Отсутствие ядра у красных кровяных телец также дает больше места для гемоглобина (Hb), сложной молекулы, переносящей кислород. Он состоит из белкового компонента, называемого глобином, и четырех пигментов, называемых гемами. Гемы используют железо для связи с кислородом. Внутри каждого эритроцита находится около 280 миллионов молекул гемоглобина.
Если вы потеряете много крови, вы потеряете большую часть своей системы доставки кислорода. Иммунные клетки, питательные вещества и белки, переносимые кровью, тоже важны, но врачей обычно больше всего беспокоит, получают ли ваши клетки достаточно кислорода.
В экстренной ситуации врачи часто назначают пациентам расширители объема , такие как физиологический раствор, чтобы восполнить потерянный объем крови. Это помогает восстановить нормальное кровяное давление и позволяет оставшимся эритроцитам продолжать переносить кислород. Иногда этого достаточно, чтобы тело продолжало работать, пока оно не сможет производить новые клетки крови и другие элементы крови. В противном случае врачи могут назначить переливание крови, чтобы заменить часть потерянной крови. Переливание крови также довольно распространено во время некоторых хирургических процедур.
Этот процесс работает довольно хорошо, но есть несколько проблем, которые могут затруднить или сделать невозможным предоставление пациентам необходимой крови:

• Человеческая кровь должна храниться в прохладном месте, и ее срок хранения составляет 42 дня. Это делает непрактичным для аварийных бригад перевозку его в машинах скорой помощи или для медицинского персонала - переносить его на поле боя. Одних расширителей объема может быть недостаточно, чтобы сохранить жизнь сильно истекающему кровотечением пациенту, пока он не попадет в больницу.
• Врачи должны убедиться, что кровь правильного типа - A, B, AB или O - прежде чем давать ее пациенту. Если человек получит кровь не того типа, это может привести к смертельной реакции.
• Число людей, которым нужна кровь, растет быстрее, чем число людей, сдающих кровь.
• Вирусы, такие как ВИЧ и гепатит, могут заражать кровь, хотя усовершенствованные методы тестирования снизили вероятность заражения в большинстве развитых стран.

Вот тут-то и появляется искусственная кровь. Искусственная кровь не выполняет всю работу настоящей крови - иногда она даже не может заменить потерянный объем крови. Вместо этого он переносит кислород в ситуациях, когда красные кровяные тельца человека не могут сделать это самостоятельно. По этой причине искусственную кровь часто называют кислородным терапевтическим средством. В отличие от настоящей крови, искусственную кровь можно стерилизовать для уничтожения бактерий и вирусов. Врачи также могут давать его пациентам независимо от группы крови. Многие современные типы имеют срок хранения более года и не нуждаются в охлаждении, что делает их идеальными для использования в чрезвычайных ситуациях и на поле боя. Так что, хотя на самом деле она не заменяет человеческую кровь, искусственная кровь по-прежнему хороша.
Далее мы посмотрим, откуда берется искусственная кровь и как она действует в кровотоке человека.

Искусственные клетки крови​

И HBOC, и PFC значительно меньше эритроцитов.

До недавнего времени большинство попыток создания искусственной крови терпели неудачу. В 19 веке врачи безуспешно вводили пациентам кровь животных, молоко, масла и другие жидкости внутривенно. Даже после открытия групп крови человека в 1901 году врачи продолжали искать кровезаменители. Первая и вторая мировые войны и открытие гепатита и вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) также вызвали интерес к его развитию.
Фармацевтические компании разработали несколько разновидностей искусственной крови в 1980-х и 1990-х годах, но многие отказались от своих исследований после сердечных приступов, инсультов и смертей в ходе испытаний на людях. Некоторые ранние формулы также вызывали коллапс капилляров и резкое повышение кровяного давления. Однако дополнительные исследования привели к появлению нескольких конкретных кровезаменителей двух классов - переносчиков кислорода на основе гемоглобина (HBOC) и перфторуглеродов (PFC).. Некоторые из этих заменителей близки к завершению фазы тестирования и вскоре могут быть доступны в больницах. Остальные уже используются. Например, HBOC под названием Hemopure в настоящее время используется в больницах Южной Африки, где распространение ВИЧ поставило под угрозу кровоснабжение. Переносчик кислорода на основе PFC под названием Oxygent находится на последних стадиях испытаний на людях в Европе и Северной Америке.
Эти два типа имеют совершенно разные химические структуры, но оба работают в основном за счет пассивной диффузии. Пассивная диффузия использует тенденцию газов перемещаться из областей с большей концентрацией в области с меньшей концентрацией до тех пор, пока не достигнет состояния равновесия. В организме человека кислород перемещается из легких (высокая концентрация) в кровь (низкая концентрация). Затем, когда кровь достигает капилляров, кислород перемещается из крови (высокая концентрация) в ткани (низкая концентрация).

HBOC Кровь​

PolyHeme HBOC от Northfield Labs.

HBOC отдаленно напоминают кровь. Они очень темно-красного или бордового цвета и сделаны из настоящего стерилизованного гемоглобина, который может поступать из различных источников:

• Эритроциты из настоящей просроченной крови человека
• Эритроциты из коровьей крови
• Генетически модифицированные бактерии, которые могут производить гемоглобин
• Человеческие плаценты

Однако врачи не могут просто ввести гемоглобин в кровоток человека. Находясь внутри клеток крови, гемоглобин отлично переносит и выделяет кислород. Но без защитной мембраны клетки гемоглобин очень быстро разрушается. Распадающийся гемоглобин может вызвать серьезное повреждение почек. По этой причине в большинстве HBOC используются модифицированные формы гемоглобина, которые прочнее, чем встречающиеся в природе молекулы. Вот некоторые из наиболее распространенных техник:

• Сшивка части молекулы гемоглобина с кислородом гемоглобин проведения производным называется diaspirin
• Полимеризация гемоглобина путем связывания нескольких молекул друг с другом
• Конъюгирование гемоглобина путем связывания его с полимером

Ученые также исследовали HBOC, которые заключают гемоглобин в синтетическую мембрану, состоящую из липидов, холестерина или жирных кислот. Один HBOC, называемый MP4, сделан из гемоглобина, покрытого полиэтиленгликолем.
HBOC работают так же, как обычные эритроциты. Молекулы HBOC плавают в плазме крови, забирая кислород из легких и сбрасывая его по капиллярам. Эти молекулы намного меньше, чем эритроциты, поэтому они могут помещаться в пространства, недоступные для эритроцитов, например, в сильно опухшие ткани или аномальные кровеносные сосуды вокруг раковых опухолей. Большинство HBOC остаются в крови человека около суток - намного меньше, чем те 100 дней или около того, как циркулируют обычные эритроциты.
Однако у HBOC также есть несколько побочных эффектов. Модифицированные молекулы гемоглобина могут помещаться в очень небольшие промежутки между клетками и связываться с оксидом азота , что важно для поддержания кровяного давления. Это может вызвать повышение артериального давления пациента до опасного уровня. HBOC также могут вызывать дискомфорт в животе и спазмы, которые, скорее всего, связаны с высвобождением свободных радикалов , вредных молекул, которые могут повредить клетки. Некоторые HBOC могут вызывать временное покраснение глаз или покраснение кожи.
Затем узнайте о крови PFC и о том, чем она отличается от HBOC.

PFC Кровь​

Искусственная кровь на основе ПФУ производства Oxygent.

В отличие от HBOC, PFC обычно белого цвета и полностью синтетические. Они очень похожи на углеводороды - химические вещества, полностью состоящие из водорода и углерода, но они содержат фтор вместо углерода.
ПФУ химически инертны, но они очень хорошо переносят растворенные газы. Они могут переносить на 20–30 процентов больше газа, чем вода или плазма крови, и, если присутствует больше газа, они могут переносить его больше. По этой причине врачи в основном используют ПФУ в сочетании с дополнительным кислородом. Однако дополнительный кислород может вызвать выброс свободных радикалов в организме человека. Исследователи изучают, могут ли PFC работать без дополнительного кислорода.
ПФУ маслянистые и скользкие, поэтому их необходимо эмульгировать или суспендировать в жидкости, чтобы использовать в крови. Обычно ПФУ смешивают с другими веществами, которые часто используются в препаратах для внутривенного введения, такими как лецитин или альбумин. Эти эмульгаторы со временем распадаются по мере того, как они попадают в кровь. Печень и почки удаляют их из крови, а легкие выдыхают ПФУ, как углекислый газ. Иногда люди испытывают симптомы гриппа, когда их организм переваривает и выдыхает ПФУ.
ПФУ, как и HBOC, чрезвычайно малы и могут помещаться в пространства, недоступные для эритроцитов. По этой причине некоторые больницы изучали, могут ли ПФУ лечить черепно-мозговую травму (ЧМТ) путем доставки кислорода через опухшие ткани мозга.
Фармацевтические компании тестируют ПФУ и HBOC для использования в конкретных медицинских ситуациях, но они имеют схожие потенциальные применения, в том числе:

• Восстановление доставки кислорода после потери крови в результате травмы, особенно в экстренных ситуациях и на поле боя
• Предотвращение необходимости переливания крови во время операции
• Поддержание притока кислорода к раковой ткани, что может сделать химиотерапию более эффективной
• Лечение анемии, вызывающей уменьшение количества красных кровяных телец
• Обеспечение доставки кислорода к опухшим тканям или участкам тела, пораженным серповидно-клеточной анемией.

Искусственная кровь не бесспорна. Далее мы рассмотрим некоторые вопросы, связанные с его использованием, а также его будущее в медицине.

Противоречие искусственной крови​

PolyHeme от Northfield Laboratories - еще один тип искусственной крови.

На первый взгляд искусственная кровь кажется хорошей вещью. Он имеет более длительный срок хранения, чем человеческая кровь. Поскольку производственный процесс может включать стерилизацию, он не несет риска передачи заболеваний. Врачи могут назначать его пациентам с любой группой крови. Кроме того, многие люди, которые не могут принимать переливание крови по религиозным причинам, могут принимать искусственную кровь, особенно ПФУ, которые не получают из крови.
Однако искусственная кровь была в центре нескольких споров. Врачи отказались от использования HemAssist, первого HBOC, испытанного на людях в Соединенных Штатах, после того, как пациенты, получавшие HBOC, умирали чаще, чем те, кто получал донорскую кровь. Иногда у фармацевтических компаний возникают проблемы с доказательством эффективности их переносчиков кислорода. Частично это связано с тем, что искусственная кровь отличается от настоящей крови, поэтому может быть сложно разработать точные методы для сравнения. В других случаях, например, когда для доставки кислорода через опухшие ткани мозга используется искусственная кровь, результаты могут быть трудно количественно оценить.
Другой источник разногласий связан с исследованиями искусственной крови. С 2004 по 2006 год лаборатории Northfield начали тестирование HBOC под названием PolyHeme на пациентах с травмами. Исследование проводилось в более чем 20 больницах США. Поскольку многие пациенты с травмами находятся без сознания и не могут дать согласие на медицинские процедуры, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) одобрило этот тест как исследование без согласия . Другими словами, врачи могли давать пациентам PolyHeme вместо настоящей крови без предварительного запроса.
Лаборатории Нортфилда проводили собрания для обучения людей в сообществах, где проводилось исследование. Компания также дала людям возможность носить браслет, информирующий персонал службы экстренной помощи о том, что они предпочитают не участвовать. Однако критики утверждали, что Northfield Laboratories не сделали достаточно для просвещения общественности, и обвинили компанию в нарушении медицинской этики.
Заменители крови могут использоваться в качестве препаратов, повышающих работоспособность, так же, как человеческая кровь при использовании в качестве допинга. В октябрьской статье 2020 года в "Wired" сообщалось, что некоторые велосипедисты использовали оксиглобин, ветеринарный HBOC, для увеличения количества кислорода в крови.
Несмотря на противоречия, искусственная кровь может получить широкое распространение в ближайшие несколько лет. Следующие поколения кровезаменителей, вероятно, также станут более совершенными. В будущем HBOC и PFC могут больше походить на красные кровяные тельца, и они могут нести некоторые ферменты и антиоксиданты, которые несет настоящая кровь.

Искусственные клетки
Кислородная терапия - не единственные искусственные клетки, проникающие в человеческие тела. Инкапсулированные островки - клетки поджелудочной железы, заключенные в синтетическую мембрану - могут помочь в лечении диабета. Инкапсулированный древесный уголь может удалять лекарства и яды из крови человека.