Курсовая работа: Искусственная кровь или кровезаменители. Их создание и использование в медицине
Ученые из нескольких европейских государств намерены в течение трех лет с помощью грибов и бактерий создать универсальный заменитель крови. Пока в проекте Euro Blood Substitutes участвуют 12 институтов, а координационный центр находится в Ноттингэмском университете. Цель нового проекта — сделать переливание более безопасным, поскольку использование донорской крови связано с высокими рисками, в частности, из-за повсеместного распространения СПИДа. Исследования начнут с двух микроорганизмов, которые биоинженеры уже применяют для производства лекарств гриба Aspergillus niger и бактерии Escherichia coli. С их помощью планируется синтезировать белки, схожие с гемоглобином, которые будут способны переносить кислород между легкими и нуждающимися в нем органами. Основная сложность эксперимента заключается в том, что человеческий организм обычно «отторгает» чужие биомолекулы. «Новую кровь», в отличие от естественной, можно будет стерилизовать. Именно это, по мнению ученых, позволяет рассчитывать на популярность будущего препарата в Восточной Европе и в Африке, где отмечены частые случаи заражения СПИДом при переливании донорской крови. Кроме того, таким образом, Euro Blood Substitutes собирается привлечь новые инвестиции и общественное внимание к европейским биотехнологиям.
Использование не донорской, а иной крови помогло и одной европейской компании при производстве кислородных препаратов. «СангуБиоТех» (Виттен, Германия) получила свиной гемоглобин поперечной сшивкой с глутаральдегидом, в результате чего образовались гигантские полимерные структуры кровяного белка. В среднем эти гиперполимеры содержат по 10 связанных молекул гемоглобина. Продукт компании находится на стадии доклинических испытаний.
5 Перфторуглероды – альтернатива гемоглобину. Их использование для создания кровезаменителей
30 лет назад исследователи нашли альтернативу гемоглобину как переносчику кислорода перфторуглероды (PFC). Молекулы перфторуглерода по своей структуре похожи на углеводороды, но атомы водорода в них замещены фтором. PFC и гемоглобин переносят кислород по разным механизмам. Во внеклеточном растворе гемоглобина кислород переносится так же, как и в эритроцитах. Кислород не связывается с PFC,но растворяется в нем и легко переходит в ткани с кислородным голоданием. PFC не растворяется в воде, как кровь, поэтому препараты на его основе переводят в эмульсию, прежде чем запустить их в кровоток. В 1989 году корпорация «Зеленый крест» (Осака, Япония) выпустила на американский рынок жидкий PFC под маркой флюорозоль. Недостатками флюорозоля был небольшой срок годности и температурная нестабильность. Он не пользовался большим спросом из-за узости разрешенной области применения – он годился только для коронарного шунтирования. В итоге «Зеленый крест» снял этот препарат с производства в 1994-м.
Несколько компаний разработали новое поколение перфторуглеродных переносчиков кислорода. Продукт Alliance Pharmaceutical Corporation (Сан-Диего, Калифорния) оксигент это концентрированная эмульсия мельчайших частиц в водном растворе. Эти частицы в 30 раз мельче эритроцитов и состоят из перфторатного ядра, окруженного поверхностно-активным веществом. Вещество вводится сразу в кровеносную систему, где оно обогащается кислородом в легких, переносится в ткани с дефицитом кислорода и отдает им кислород путем обычной диффузии. В 2000 году Alliance и Baxter образовали компанию PFC Therapeutics LLC специально для наблюдения за разработкой, производством, продажей и распространением оксигента в США, Канаде и Европе. Компания завершила третью стадию клинических испытаний в Европе на послеоперационных пациентах.
Synthetic Blood International Inc.(Коста Меса, Калифорния) также разработала перфторуглеродный переносчик кислорода – оксицит (Oxycyte).
Как утверждается в описании препарата, оксицит - кислородо-несущая внутривенная эмульсия, которая может перенести в пять раз больше кислорода чем гемоглобин, делая это через эффективные средства перемещения кислорода к тканям и углекислого газа в легкие. Новое применение кислородных терапевтических препаратов включает в себя лечение паралича, инфаркта миокарда, и определенных злокачественных болезней. Компания планировала завершить первую стадию клинических испытаний к концу 2003 года. При испытаниях Oxycyte, прошедших прошлым летом, выжили 7 пациентов из 8, поступивших в центр VCURES. Причем они сравнительно быстро шли на поправку. Осенью 2006 года была выписана домой и неудачливая велосипедистка Бесс-Лин. Она много времени пролежала в коме, но, как считают в медицинском центре, не погибла именно благодаря переливанию экспериментального препарата (с согласия матери пациентки). Теперь же Бесс-Лин поднялась на ноги и выздоравливает, причем парализованная было сторона тела вновь обрела полную подвижность. Oxycyte внешне похож на молоко. Стало быть, про Бесс-Лин можно смело сказать: «У нее кровь с молоком!».
Растворы PFC, как и гемоглобиновые препараты, не лишены недостатков. Доктор Дэвид Г.Баррис – глава департамента хирургии в Университете здоровья в Бетесде, объясняет: «В перфторуглеродном растворе количество растворенного кислорода находится в линейной зависимости от того, сколько его вдохнули, в отличие от криволинейной зависимости в случае с гемоглобином». Поскольку FPC менее эффективные, чем гемоглобин переносчики кислорода, то для того чтобы насытить ими ткани, требуется большая концентрация кислорода в воздухе, который, в свою очередь, может повредить легкие. Но доктор Баррис отмечает и преимущество FPC – они более приемлемы с точки зрения религии по сравнению с препаратами донорского или животного происхождения.
В настоящее время компании стремятся разработать кислородпереносящие препараты, которые бы усиливали доставку кислорода при нехватке крови или в том случае, когда кровь из-за болезни не может переносить достаточно кислорода. BioTime Inc.(Беркли, Калифорния) работает над веществом, которое сможет по-настоящему на некоторое время заменить кровь. Некоторые хирургические операции проводят при низких температурах, чтобы замедлить у пациента обмен веществ и сократить потребность организма в кислороде. Ограничения метода низкотемпературной хирургии заключаются в том, что кровь не может циркулировать при температурах, близких к нулю. ГетаКул от BioTime, производное искусственной плазмы, мог бы заменить пациенту кровь на этот период. BioTime провела опыты с ГетаКул на животных и готовит заявление на проведение клинических испытаний.
Проблема создания эмульсий на основе перфторорганических соединений для медико-биологических целей разрабатывается учеными уже несколько десятилетий. Актуальным является получение перфторуглеродных эмульсий, которые бы максимально соответствовали следующим требованиям:
• высокая газотранспортная способность;
• стабильность;
• низкая реактогенность;
• отсутствие токсичности.
6. Получение эмульсий на основе перфторуглеродов. Перфторан
В начале 80-х в подмосковном Пущино был создан заменитель крови – перфторан. Результаты пробного применения нового препарата в клиниках (а затем и прямо на поле боя в Афганистане) превзошли все ожидания.
В начале 60-х американец Генри Словитер предложил использовать эмульсию перфторуглеродов (ПФУ) – веществ, основу молекул которых образуют атомы угрерода, а все оставшиеся свободными валентности заняты атомами фтора. К этому классу соединений относится, например, всем известный тефлон. Было известно, что они легко поглощают большие объемы любых газов и также легко расстаются с поглощенным. Они химически инертны и физиологически нейтральны. В воде они практически нерастворимы, но при добавке поверхностно-активных веществ могут образовывать эмульсии – взвеси мелких жидких частиц. Каждая такая частица – это окруженная одним слоем молекул ПАВ капелька жидкого перфторуглерода. В ней-то и растворяется кислород.
Работы с эмульсиями ПФУ начались в США и Японии еще в 1969 году, однако после первых неудач вышли из моды. В конце 70-х Академии наук было поручено в кратчайшие сроки создать отечественный перфторуглеродный кровезаменитель. Головным учреждением был определен Пущинский Институт биофизики, который (как и весь научный центр) возглавлял профессор Генрих Иваницкий. «Дело в том, что мы с самого начала сделали эмульсию очень тонкой – средний диаметр частиц в ней на порядок меньше, чем у эритроцита, - рассказывает Генрих Иваницкий. – Это было вызвано технологическими соображениями: ПФУ намного тяжелее воды; эмульсия, предоставленная самой себе, постепенно оседает и расслаивается, но чем меньше частицы, тем медленнее это происходит. Неожиданно оказалось, что при тяжелых травмах размер частиц часто имеет решающее значение. Организм реагирует на травму усилением кровоснабжения пораженного места. Однако возникающий при этом отек сдавливает мелкие капилляры, делая их непроходимыми для эритроцитов. Кислородное снабжение поврежденной ткани ухудшается, в ней накапливается молочная кислота – и капилляры сжимаются еще сильнее. Особенно быстро и страшно эта ловушка срабатывает при отеках мозга – самой чувствительной к кислородному голоданию ткани. Но маленькие, скользкие, невосприимчивые к физиологическим регуляторам капельки ПФУ-эмульсии разрывают этот порочный круг, проникая в задыхающуюся ткань при любом состоянии капилляров и принося ей спасительный кислород».
Другой постоянной угрозой при тяжелых механических травмах является жировая эмболия: попадающие в кровяное русло (прежде всего из костного мозга раздробленных костей) частицы жира все время норовят слипнуться, и образующиеся жировые капли часто закупоривают сосуды. Но если в кровь примешан перфторан, частицы с оболочкой из ПАВ и перфторуглеродым содержимым поглощают жир из крови. Вдобавок перфторан снижает вязкость крови, облегчая тем самым работу сердца (что в некоторых случаях тоже важно), и обладает еще целым рядом полезных эффектов. Все это вкупе с ожидаемыми достоинствами (заведомым отсутствием инфекции, иммунологической нейтральностью и т.д.) делало его незаменимым препаратом для скорой помощи, военной медицины, медицины катастроф.
Перфторан – единственный в мире разрешенный к клиническому применению кровезаменитель с газотранспортной функцией на основе перфторуглеродных соединений. Препарат обладает газотранспортными, реологическими, гемодинамическими, диуретическими, мембраностабилизирующими, кардиопротекторными и сорбционными свойствами.
Перфторан рекомендуется применять в качестве кровезаменителя с газотранспортной функцией при:
• острой и хронической гиповолемии (травматическом, геморрагическом, ожоговом и инфекционно-токсическом шоке, черепно-мозговой травме, операционной и послеоперационной гиповолемии),
• нарушениях микроциркуляции и периферического кровообращения (изменении тканевого метаболизма и газообмена, гнойно-септическом состоянии, инфекции, нарушении мозгового кровообращении, жировой эмболии),
• регионарной перфузии, лаваже легких, промывании гнойных ран брюшной и других полостей,
• для противоишемической защиты донорских органов (предварительная подготовка донора и реципиента).
Противопоказанием к применению перфторана является гемофилия; в период беременности и кормления грудью препарат можно применять только по жизненным показаниям.
При использовании перфторана возможны аллергические реакции (крапивница, кожный зуд, покраснение кожных покровов), учащение пульса, снижение артериального давления, повышение температуры, головная боль, боли за грудиной и в поясничной области, затруднение дыхания, анафилактоидные реакции. Частота возникновения неблагоприятных реакций – 1,8 %.
Перфторан следует хранить в замороженном состоянии при температуре от -4 до -18°С. В размороженном виде препарат можно хранить в холодильнике при температуре +4°С не более 2-х недель. Срок годности препарата: 3 года – при температуре от -4 до -18°С ; 2 недели при температуре +4°С.
Как видно из описания препарата процент возникновения неблагоприятных последствий после использования очень мал. Также он имеет достаточно большой срок годности. Но наиболее важно то, что препарат прошел все клинические испытания и разрешено его практическое применение в медицине.
7. Перспективы и новейшие технологии
Через несколько лет ученые смогут получить настоящий кровезаменитель, который в состоянии полностью заменить пациенту кровь при нормальной температуре.
В конце 2004 года исследователи из Парижского университета нашли способ производить в лабораторных условиях красные кровяные тельца. В ходе исследования ученые объединили стволовые клетки с еще одной группой кровяных клеток, а затем обработали их веществом, стимулирующим рост. Похожие эксперименты проводятся сейчас по всему миру - однако до сих пор успеха ученым добиться не удавалось. Отличие парижского исследования в том, что использованные клетки мышей впервые были помещены в условия, сходные с теми, в которых растут клетки костного мозга. В принципе, сходных результатов можно добиться, используя клетки того же человека, которому позже понадобится переливание крови, утверждает профессор Люк Дуэй, работавший в составе команды, поставившей этот эксперимент. "Это практически снимает иммунологические проблемы, связанные с отторжением тканей", - заявил он. В конечном итоге, рассчитывают ученые, их эксперимент приведет к тому, что начнется массовое производство искусственных красных кровяных телец. Однако пока рано говорить о том, что искусственную кровь можно будет использовать в клинических условиях.
Группа исследователей из трех крупных японских университетов разработала новую формулу искусственной крови, которая в ближайшее время сможет успешно устранить опасность заражения вирусами и будет абсолютно совместимой с любой группой крови при ее переливании. Это основные недостатки естественной крови, ограничивающие ее применение на борьбу с которыми потрачено немало денег времени и усилий.
Авторами сенсационной разработки синтетической крови стали специалисты из университетов Васэда, Кейо и Кумамото. Как сообщили специалисты одной из лабораторий, работавшей над проектом, новый тип искусственной крови можно производить в массовом масштабе и хранить относительно долгое время. Тем самым удается преодолеть еще один недостаток натуральной крови – небольшой срок хранения, необходимость специальных консервантов, в то же время ухудшающих ее свойства. Ученые в Японии уже провели весьма успешные опыты на животных и ожидают, что практическое применение их разработки начнется приблизительно, через два года, после, осуществления последней стадии клинических испытаний начатых на человеке.
К новинке проявили неподдельное внимание и интерес многие фармацевтические компании. Медикам из страны восходящего солнца удалось получить соединение, частицы которого по размеру меньше красных кровяных телец, а посему, они смогут снабжать кислородом человеческие органы, даже в тех случаях, когда в кровеносных сосудах возникают тромбы. В результате закупорки просвета сосудов эритроциты не всегда могут пройти в мелких капиллярах, даже учитывая хорошую эластичность и податливость сосудистых стенок, а также способность к деформации клеток крови. В таких случаях размеры частиц это как раз главное и их свойства окажутся эффективными как никогда и универсальная кровь может стать незаменимым лекарством для инсультов, инфарктов и других состояний, обусловленных нарушением кровотока в сосудах самого разного калибра, от средних, но суженных атеросклеротической бляшкой или тромбом, до капилляров.
Согласно сообщению Джерри Сквайрса, вице-президента Международного Красного Креста, как минимум три исследовательских лаборатории в Великобритании, США и Австралии практически закончили работы по созданию препаратов на основе гемоглобина, максимально приближенных к естественной крови. Эти препараты будут не только восполнять недостающий объем жидкости, как солевые растворы, и переносить кислород, как перфтораны, но и выполнять десятки других функций крови. Например, они могут связывать некоторые гормоны, регулируя их биологическую активность. Кроме того, благодаря своему родству с естественной кровью новые кровезаменители будут оставаться в организме намного дольше, чем современные препараты.
К сожалению, новые кровезаменители тоже не лишены ряда недостатков, причиной которых является именно их родство с натуральной кровью. Первичные испытания показали, что эти препараты могут спровоцировать повышение артериального давления или вызвать образование патологических тромбов.
«Перед нами встает дилемма, - заявил Джерри Сквайс. – Кровезаменители открывают перед врачами такие возможности, о которых пока можно только мечтать. Но, с другой стороны, до тех пор, пока мы не научимся их использовать, мы будем совершать опасные для жизни людей ошибки. И, к сожалению, это неизбежно».
Заключение
Важным разделом разработки новых кровезамещающих растворов для лечения кровопотери и шока является организация их доклинического и клинического изучения. При этом методика должна быть четко стандартизирована, исключительно большой значение имеет создание унифицированных моделей кровопотери, шока, которые могут быть реализованы для доклинической оценки новых кровезаменителей.
Эффективность нового кровезаменителя должна быть сопоставлена с эффективностью имеющихся аналогов. Окончательный итог работы по созданию нового кровезамещающего раствора, его качество и эффективность может быть объективно определены только на основе единой системы стандартизированных оценочных показателей доклинического изучения.
Частичным решением проблемы замены крови является введение в организм комплексных, полифункциональных препаратов, в составе которых наряду с кислородпереносящими кровезаменителями присутствуют и плазмозаменители (создание и применение последних играет немаловажную роль, так как существующие в настоящее время плазмозаменители могут восполнить 30-40% всех функций плазмы крови). И всегда нужно помнить о том, что переливание эмульсии отнюдь неравнозначно переливанию крови. Таким образом, создание универсальных кислородпереносящих кровезаменителей будет огромным шагом к решению проблемы "искусственной крови".
