Кровь людская – не водица

Химия давно и не без успеха вторгается в интимные процессы в организме человека. Искусственно полученные синтетические средства борьбы с болезнями прочно вошли в жизнь людей. Но применение химических методов и средств не ограничивается одними лекарствами, как бы ни был широк их круг сегодня.
В предлагаемой статье дается краткий обзор достижений химии и биохимии в создании и применении заменителей крови – универсальной жидкости, без которой организм не в состоянии выполнять многие свои функции.

Что такое наша кровь

Кровь выполняет в организме множество жизненно важных дел: cнабжает тело кислородом и удаляет углекислый газ; переносит питательные вещества и конечные продукты обмена; участвует в регулировании водно-солевого баланса; выполняет защитную функцию, борясь с бактериями и вирусами; подавляет оксиданты, ведущие к ишемическим поражениям. Кровь способна к свертыванию и остановке кровотечений.

В теле каждого человека примерно 4–5 л крови, и потеря ее значительной части может стать губительной. Громадные объемы донорской крови (в США – около 7–8 млн л) ежегодно переливаются пациентам при хирургических операциях, заболеваниях и травмах. На крупные станции по переливанию крови в Москве ежедневно приходят до 300 доноров, сдавая по 400–500 мл крови. Но они обеспечивают потребности города только наполовину, и вторую половину приходится закупать в других регионах.

Если учесть, что донорская кровь хранится не больше трех–шести недель и кровь одного человека не всегда совместима с кровью другого, что некоторые религиозные учения не допускают использования донорской крови, можно представить, насколько важна проблема создания искусственных кровезаменителей.

Человек в течение нескольких столетий искал заменители крови, безуспешно пытаясь использовать вино или пиво, молоко или мочу, раствор опиума или кровь животных. Однако к решению проблемы удалось приблизиться только в последние десятилетия.

Важнейшая задача, которой надо было заниматься в первую очередь, – это временная замена гемоглобина, создание переносчиков кислорода в организме.

Фторорганические кровезаменители

Все началось еще со знаменитого химика и композитора А.П.Бородина, который синтезировал первое органическое соединение, содержащее атом фтора, – бензоилфторид С₆Н₅СОF. Работая в 1861–1862 гг. в итальянском городе Пизе, он провел реакцию:

С₆Н₅СОCl + КНF₂ ® С₆Н₅СОF + КF + НСl,

которую затем много раз повторяли. Сегодня ничего особенного за бензоилфторидом не числится, разве что лакриматорное действие (от него плакать хочется). Но оно было первым!

В течение многих десятилетий открытая Бородиным новая область органической химии оставалась в сфере узких академических интересов и лишь начиная с работ над урановым проектом в 1940-х гг. стала бурно развиваться и вышла на широкие производственные просторы. Тогда-то и было осознано, что необычно высокая прочность связи С–F по сравнению с прочностью связей С–Н и С–С придает фторорганическим соединениям исключительные, часто «рекордные» свойства. По образному выражению одного из специалистов, эти соединения «имеют алмазное сердце и шкуру носорога».

Разнообразные фторорганические соединения широко вошли в наш быт (покрытия «неподгорающих» сковородок изготовлены из тефлона, до сих пор большая часть холодильников содержит в качестве хладагентов фреоны, ими же заполнены баллончики аэрозольных упаковок; для тушения пожаров на самолетах применяют галоны). А простое перечисление областей их технического применения заняло бы несколько страниц.

Особенно интересные свойства проявляли полностью фторированные соединения, которым для простоты даже присвоили названия с латинской приставкой «пер-» («выше», «через», в данном случае – «полностью»). Аналог бутана С₃F₈ именуется перфторбутаном, аналог бензола С₆F₆ – перфторбензолом, аналог нафталина С₁₀F₈ – перфторнафталином, а все подобные вещества – перфторуглеродами.

В середине 1960-х гг. насыщенные кислородом жидкие перфторуглероды прославились тем, что помещенные в них белые мыши довольно долго – несколько часов – и без вреда для себя «дышали» в растворе, сохраняя активность и, судя по кадрам научной кинохроники, бодрость духа. Профессор биохимии одного из американских медицинских колледжей Л.Кларк, утопив мышь в перфторуглероде и долго ее наблюдая, говорил потом: «Не знаю, кто больше удивился, – то ли мышь, то ли я сам». Сейчас известно, что многие перфторуглероды растворяют большие объемы газов, например при температуре 37 °С перфтордекалин:

– 45,0% (об.) О₂, а перфторбутилтетрагидрофуран: 

– даже 48,5% (об.) О₂.

В воде и сыворотке крови при тех же условиях растворимость О₂ составляет только 2,4% (об.). Появились и данные о токсичности: гибель с вероятностью 50% наступает, если выпить 30–50 г перфтордекалина на каждый килограмм массы. Это чуть больше токсичности виноградного сахара, но уж виноград-то вовсе не относится к ядовитым веществам.

Такие перфторуглероды и попытались использовать как временные кровезаменители. Они были относительно невысокой стоимости, легко поддавались полной стерилизации (во всяком случае не способны передавать вирусы СПИДа), могли долго храниться. Важно и то, что перед их применением не требовалось анализировать кровь пациента на совместимость. Недостаток времени при оказании помощи в случае серьезных травм может стоить жизни, поэтому у военнослужащих заранее делают нашивки с указанием группы крови и резус-фактора.

Поскольку эти соединения нерастворимы в воде, их использовали в виде эмульсии, и «кровь» не имела ни красного, ни тем более голубого цвета, а напоминала молоко. Эмульсии готовили из солевого водного раствора и стабилизировали добавками поверхностно-активных веществ. Первые испытания были проведены вновь на мышах и показали хорошие результаты. Эмульсии легко отдавали кислород тканям организма, а их перфторуглеродные компоненты постепенно, по мере того как кроветворные органы тела делали свое дело и восстанавливали полноценную кровь, выводились с выдыхаемым воздухом.

Перфторуглеродов, которые могли бы применяться в качестве кровезаменителей, довольно много, однако пришлось провести интенсивные исследования, чтобы найти нужный состав. Сначала пытались применить перфтортрибутиламин:

но он, как оказалось, очень медленно выводится из организма (для удаления половины его требовалось 800 дней).

Более удачное решение нашли японские ученые, создавшие в 1976 г. средство флуозоль-DA, которое представляло собой смесь 7 частей перфтордекалина с 3 частями перфтортрипропиламина:

Средство содержало небольшие добавки эмульсификатора и стабилизатора эмульсии и вводилось концентрацией 20% в солевой раствор. Средний размер капелек в этой эмульсии составлял 0,1 мкм, период полувыведения из организма – всего
7,2 суток. Но и это средство имело недостатки: относительно малая концентрация действующих веществ (более концентрированные эмульсии – слишком вязкие) заставляла использовать для дыхания воздух, обогащенный О₂ на 70–90%.

Применение флуозоля было разрешено в 1989 г., но ограничивалось снабжением кислородом сердца во время операции на сосудах. Через 5 лет от флуозоля все же отказались.

Следует сказать, что химики СССР в свое время также активно занимались созданием перфторуглеродных кровезаменителей, о чем мне приходилось слышать и в знаменитом Государственном институте прикладной химии в Петербурге, и на Электромашиностроительном заводе в г. Кирово-Чепецке. Более того, в лаборатории академика И.Л.Кнунянца Института элементоорганических соединений РАН удалось даже видеть большие бидоны с готовыми веществами.

Несколько лет назад в Голливуде был поставлен фильм «Бездна», герой которого нырял на большие глубины, предварительно заполнив свои легкие для дыхания перфторуглеродом и имея его в запасе. Следует предупредить, что стать водолазом, акванавтом, человеком-амфибией или русалкой, используя такой прием, не получится. Все перфторуглероды – слишком вязкие и плотные жидкости, чтобы их вдыхать и выдыхать.

В последние годы интерес к перфторорганическим кровезаменителям снова возрос. Были испытаны составы на основе перфтороктилбромида С₈BrF₁₇ (оксиджент) и перфтордихлороктана С₈С_l2F₁₆ (оксифлуор), которые требуют для дыхания чистого О2; их разрешено применять при хирургических операциях в дозах не более 0,9 г/кг массы тела. Все они могут храниться почти два года. Продолжаются исследования смеси перфтордекалина с перфторметилциклогексилпиперидином (перфторан) и других составов.

Среди новых областей их применения – лечение воспаления легких, респираторных заболеваний и отеков легких у детей, поскольку покрытие альвеол тончайшей пленкой «проводника» кислорода заметно облегчает дыхание. У некоторых недоношенных новорожденных легкие оказываются недостаточно развитыми, чтобы ребенок мог начать самостоятельно дышать, и в этом случае применение перфторорганических производных может заменить пребывание в барокамере. Эти производные перспективны как глазные жидкости, поскольку не смешиваются с водой, оптически прозрачны, имеют необходимую плотность и удобны для введения. Они могут использоваться как контрастные среды при ультразвуковой диагностике, как источник кислорода для ускорения заживления ожогов и язв. Наверняка они интересны и как косметическое средство.

Искусственный гемоглобин

Чтобы всесторонне осветить тему этого раздела статьи, необходимо быть биохимиком, а поскольку автор таковым не является, в тексте неизбежны определенные упрощения. С точки зрения химика, гемоглобин – тот компонент крови, который выполняет функцию носителя кислорода. Он представляет собой сложное производное порфирина. Порфирины – природные макрогетероциклические пигменты, содержащие в молекуле удивительно устойчивый и красивый цикл порфина:

Порфирины широко распространены в живой природе, они входят в состав хлорофиллов, цитохромов, некоторых ферментов и встречаются в скорлупе птичьих яиц, раковинах моллюсков, а также в нефти и битумах. Они найдены даже в метеоритах. При взаимодействии с солями металлов порфирины образуют металлопорфирины, например, если металл – железо, то ферропорфирины:

Ферропорфирин с определенными боковыми заместителями (группами СН₃, СН=СН₂, СН₂СН₂СООН) образует гем, который соединяется с глобином (белок, содержащий 140–160 аминокислотных остатков), четыре таких соединения и составляют гемоглобин. Каждый гем способен обратимо присоединять молекулу О₂, которая занимает определенное место в координационной сфере атома Fe. Одна частица гемоглобина в кислородной среде присоединяет четыре молекулы О₂.

Координационную связь с гемом могут образовывать и другие газы – СО, NО. Сравнительно непрочная связь молекул СО₂ с гемоглобином позволяет выводить этот газ из крови в легких с выдыхаемым воздухом; более прочная связь молекул СО – причина отравлений, называемых в просторечии угаром.

Казалось бы, для решения проблемы снабжения организма кислородом можно было бы поступить просто: извлечь гемоглобин из крови, освободить его от ненужных для основной функции примесей, тщательно стерилизовать, научиться хранить и вводить при необходимости пациентам, не дожидаясь результатов анализа на содержание антител и совместимость крови. Стерилизация очистит гемоглобин от вирусов СПИДа, гепатита и прочих источников болезней. Для хранения, видимо, будет достаточно удалить влагу и превратить гемоглобин в порошок, «дежурные» порции которого вновь увлажнить и держать наготове. Но в живом теле гемоглобин содержится в красных кровяных тельцах, оболочка которых (частично проницаемая мембрана) защищает гемоглобин от разложения. В связи с этим извлеченный и очищенный гемоглобин не может быть использован как кровезаменитель, он разлагается и отравляет почки. Кроме того, в мембране нормальной кровяной клетки содержится вещество (2,3-дифосфоглицериновая кислота), которое необходимо для выделения кислорода из гема. Очевидных путей создания кровезаменителей из гемоглобина пока не существует.

Однако ситуация здесь далеко не безнадежна, и уже определены различные направления искусственной защиты очищенного гемоглобина. Таких направлений несколько. Во-первых, каждую частицу гемоглобина или несколько частиц можно поместить в искусственную оболочку; во-вторых, можно связать отдельные части гемоглобина внутримолекулярными связями, создать нечто вроде полимеризованного гемоглобина; наконец, можно использовать технологию рекомбинации и создать устойчивый рекомбинированный, или рекомбинантный, гемоглобин и для размножения прививать его бактериям.

Работы по микроинкапсулированию (заключению в оболочку) гемоглобина начались еще в конце 1950-х гг. Испытывались различные материалы, из которых можно было бы создать искусственную мембрану, – поперечно связанные протеины, двухслойные липиды, связанные с протеинами или полимерами; силиконовые полимеры и др. В состав мембраны вводили полисахариды, на поверхность «сажали» отрицательный заряд, однако все полученные продукты при испытаниях быстро разрушались или выводились из организма.

На следующей стадии исследований, уже в 1980-х гг., были получены искусственные кровяные клетки с липидными мембранами диаметром 0,2 мкм, которые имели период полувыведения из организма 24 ч (в последнее время его увеличили до 48 ч), однако и эти достижения пока далеки от поставленной цели. Красные кровяные тельца живут около 30 дней. В то же время испытания на животных показали, что искусственные клетки не оказывают вредного действия на мозг, сердце, почки и легкие, поэтому на очереди – клинические испытания на людях.

Для повышения устойчивости, снижения потенциально вредного воздействия липидов, устранения возможности переокисления липидов и решения некоторых других проблем исследуется иной подход к созданию кровезаменителей на основе гемоглобина: инкапсулирование в биоразрушаемые полимеры. Скорость разрушения и, следовательно, время жизни полимеров на основе полилактидов и полигликолидов (производные молочной и гликолевой кислот) можно регулировать, меняя их молекулярную массу. Полимеры разлагаются, выделяя соответствующие кислоты, углекислый газ и воду. При этом для образования мембраны их требуется гораздо меньше, чем липидов. В середине 1990-х гг. были найдены методы изготовления капсул диаметром 80–200 нм и даже проведены успешные испытания, в которых у животных заменяли третью часть собственной крови на искусственную. Важно отметить, что для инкапсулирования использовали очищенный бычий гемоглобин, который может поставляться в необходимых количествах. В январе 1998 г. одно из средств, созданных в США на основе модифицированного бычьего гемоглобина, – оксибовин – разрешено использовать для лечения острой анемии собак. Предполагается, что в очень скором времени его разрешат применять и для людей. Бычий гемоглобин удобен тем, что для выделения кислорода он требует не 2,3-дифосфоглицериновую кислоту, а хлорид-ион, которого достаточно много в плазме человеческой крови.

К настоящему времени создано уже несколько типов кровезаменителей на основе гемоглобина, имеющих фирменные названия «полигем», «биопур», «гемопур», «оксиглобин», «гемизол», «энзон», «соматоген» (часть из них повторяет названия фирм) и др. Некоторые средства, например полученный на основе полимеризованного гемоглобина человека полигем, а также биопур на стадии клинических испытаний (переливалось до 10 л заменителя), не выявили побочных эффектов и в нескольких экстренных случаях использовались в хирургической практике. Проходят клинические испытания и другие кровезаменители.

Сегодня ученые работают над третьим поколением кровезаменителей на основе гемоглобина. Они будут содержать некоторые важные ферменты и в большей мере приближаются к тем функциям, которые выполняет кровь, но тоже смогут лишь временно заменить эту постоянно текущую, называемую образно горячей или холодной, голубой или красной, сложную по составу и жизненно важную для каждого из нас жидкость.

Возможно, что в XXI в. наука сможет физически, материально осуществить то, о чем писал Валерий Брюсов:

«Оживить одряхлевшее тело
Волной пылающей крови».