Кислородпереносящие кровезаменители

Введение

Сейчас повсеместно для восполнения кровопотери при различных патологических состояниях, возникающих в результате травм, боевых ранениях при ведении военных действий, некоторых заболеваний организма, в экстремальных ситуациях характеризующихся патологией системы крови, используются гемотрансфузии как цельной крови, так и отдельных ее компонентов. Но существуют недостатки применения гемотрансфузий, которые играют в клинике немаловажную роль. Эти недостатки связаны с опасностью передачи с переливанием крови бактериальных и вирусных инфекций ; возможностью несовместимости донорской крови и крови реципиента по антигенному составу; короткими сроками хранения донорской крови. Кроме этого, в определенных клинических ситуациях наличие растворов кислородпереносящих кровезаменителей было бы весьма желательным. Еще в 1796 г. Российская Академия наук объявила конкурсную тему: " О химическом составе крови и возможности создать искуcственный заменитель. В нашей стране работа по созданию и изучению искусственной крови ведется в институте гематологии и трансфузиологии АМН Украины. Для лечения кровопотери и шока необходимы прежде всего кровозаменители, которые обладали бы выраженным волемическим свойством и способностью существенно улучшать реологические свойства крови и микроциркуляцию. После кровопотери, механической, термической травмы с развитием шока в организме обнаруживаются изменения функций по существу всех органов и систем. При этом особое место занимает гипоксия и интоксикация организма. Для коррекции этих нарушений уже недостаточно указанных выше свойств кровозаменителей. В связи с этим возникает необходимость расширить спектр их лечебной эффективности. Это может быть реализовано двумя путями: введением кровозаменителей с одновременным применением различных фармокологических и биологически активных веществ или использованием комплексных кровезаменителей, включающих различные средства, нормализующие функцию органов и систем. Одна из важнейших задач современной трансфузиологии - создание кровезаменителей, обладающих функцией переноса кислорода и способных при кровопотере и шоке возместить уменьшение количества эритроцитов в сосудистом русле. Исследования по решению этой задачи проводятся как в нашей стране, так и за рубежом по двум направлениям: разработка кровезаменителей на основе гемоглобина, свободного от стромальных белков и прокоагулянтов, и создание кровезаменителей на основе перфторированных соединений. Несмотря на определенные успехи в этой области, требуются дальнейшие исследования по повышению способности указанных кровезаменителей транспортировать кислород и изучению их безвредности для организма

Патофизиологические основы создания и применения кислородпереносящих кровезаменителей

Интенсивность диффузии кислорода из крови микрососудов в ткани определяется уровнем напряжения кислорода в крови микрососудов. В свою очередь этот показатель зависит от величины рО₂ в крови аорты, величины кислородной емкости крови, формы и положения кривой диссоциации оксигемоглобина, скорости кровотока в микрососудах. Эритроциты «решают проблему» высокой кислородной емкости крови без чрезмерного увеличения онкотического давления в плазме, что неизбежно произошло бы, если бы гемоглобин был растворен в плазме крови. «Изоляция» гемоглобина мембраной эритроцита позволяет создавать ионную и субстратную среду и таким образом регулировать наиболее эффективно кривую диссоциации оксигемоглобина . Благодаря эритроцитам кровь приобретает физические свойства неньютоновской жидкости, последнее обеспечивает снижение вязкости при прохождение крови через очень тонкие трубки в отличие от обычных ньютоновских жидкостей, вязкость которых в таких условиях повышается. Понижение вязкости в конечном итоге обеспечивает достаточно высокую скорость кровотока в капиллярах. При введении в кровеносное русло раствора гемоглобина без эритроцитов или эмульсии перфторуглеродов эти важные условия нарушаются. В случае кислоропереносящих кровезаменителей на основе гемоглобина неизбежно приходится сталкиваться с проблемой малой кислородной емкости кровезаменителя и сдвига КДОГ заменителя влево. Введение в кровеносное русло любого кислородпереносящего кровезаменителя с кислородной емкостью меньше таковой циркулирующей крови, всегда ведет к уменьшению кислородной емкости образующейся смеси и, следовательно, к ухудшению кислородтранспортных свойств крови. Существует и проблема скорости движения разбавленной крови кровезаменителем в капиллярах. Она становится очевидной, если молекулярная масса модифицированного гемоглобина в заменителе превышает некоторый предел. Минутный объем кровотока при этом уменьшается и происходит гибель. Конечно, выход за пределы нормы одного из указанных параметров может физиологически компенсироваться за счет других. Так, например, понижение кислородной емкости крови компенсируется увеличением скорости кровотока. Сдвиг КДОГ влево теоретически может компенсироваться увеличением кислородной емкости и т.д. Такие компенсаторные реакции сглаживают недостатки кислородпереносящих кровезаменителей.

Поэтому важнейшую физиологическую проблему в клинике составляет транспорт кислорода кислородпереносящими кровезаменителями при замещении им 0,5 - 1,5 л крови, что соответствует примерно среднетяжелому или тяжелому кровотечению. Основой для решения этой проблемы становится гемодилюция, или разбавление крови обычным кровезаменителем. Сравнение по различным показателям одинаковой по величине гемодилюции плазмозаменителями и кислородпереносящими кровезаменителями позволяет наиболее точно судить об эффективности последнего. При гемодилюции плазмозаменителем поддерживается нормальный уровень газообмена до гематокрита 12 - 15%, благодаря увеличению МОК в 2 - 2,5 раза. Но даже при гемодилюции до гематокрита всего лишь 20 - 25% средняя скорость кровотока в микрососудах мозга возрастает на 25 - 30%. Углубление гемодилюции неизбежно ведет к исчерпанию «запасов кислорода в крови, к понижению рО2 в микрососудах ниже допустимого физиологического уровня и как следствие этого приводит к возникновению в тканях глубоких гипо и аноксических участков. Величина в тканях рО₂ является интегральным показателем эффективности компенсаторных реакций и эффективности функций кислородпереносящих кровезаменителей. По мере разбавления крови происходит постепенное снижение рО₂ в микропространствах между капиллярами и, следовательно, кислородпереносящие кровезаменители дают вклад в транспорт кислорода лишь при очень низком гематокрите. При более высоком гематокрите с точки зрения транспорта кислорода они практически не отличаются от плазмозаменителей, не обладающих кислородпереносящей функцией. Однако, вклад кровезаменителей в транспорт кислорода и поддержание потребления кислорода в организме на исходном уровне имеются на фоне физиологических реакций, компенсирующих недостаток кислорода.

Кровезаменители на основе гемоглобина

Попытки применения растворов гемоглобина в клинических целях предпринимались уже в начале века и были возобновлены в 30 - 40 гг. Эксперименты по введению растворов гемоглобина в различных дозах, концентрациях и при разных степенях кровопотери показали способность последних поддерживать жизнь животных, обеспечивая транспорт кислорода. Однако эти работы выявили также выраженную нефротоксичность этих препаратов.

Одна из основных причин нефротоксичности установлена в 1967 г. после применения растворов гемоглобина, очищенных от стромальных компонентов. Они не повреждали почки. Сделан вывод в том же году, что повреждение почек вызывается стромальной фракцией эритроцитов. Уже рассмотренные выше патофизиологические основы сниженной отдачи кислорода тканям растворами внеэритроцитарного гемоглобина связаны с потерей в процессе выделения очищенного раствора гемоглобина 2,3 - дифосфоглицерата, природного специфического регулятора обратимой оксигенации, находящийся внутри эритроцита. Ученые довольно продолжительное время решали эту проблему и в результате пришли к выводу о замене этого регулятора каким-либо другим. Впервые в качестве необратимого присоединения был описан пиридоксаль_5'-фосфат - коферментная форма витамина В6. Альтернативным путем снижения сродства гемоглобина к кислороду является использование кетокислот, которые также могут необратимо присоединяться к гемоглобину. Это позволило приблизить транспортные характеристики внеэритроцитарного гемоглобина к физиологическим значениям. Выше уже говорилось о том, что раствор гемоглобина при введении его в кровоток резко увеличивает онкотическое давление, тем самым изменяя гемодинамику. Однако, согласно последним данным, полимеризованный гемоглобин с молекулярной массой 600 000 при концентрации 6г/100 мл обнаруживает сравнительно небольшое онкотическое давление крови порядка 20 мм. рт. ст., что близко к онкотическому давлению крови. Но при концентрации 12г/100 мл раствор такого гемоглобина имел онкотическое давление 40 мм. рт. ст. Но в Америке создан гемоглобин с молекулярной массой 1 млн., который даже в концентрации 14г/100 мл обусловливал онкотическое давление 20 мм рт. ст. При такой концентрации раствор имеет кислородную емкость, равную таковой для цельной крови.

Известно, что с помощью пиридоксальфосфата Р50 полимеризованного гемоглобина онкотическое давление может быть повышено с 15 - 20 до 28 - 30 мм рт. ст. и выше. При специальных мерах предосторожности такие препараты могут сохранять свои кислородпереносящие свойства в течение 2 -12 месяцев при образовании метгемоглобина не более 0,6% в месяц.
В современной литературе по этой проблеме встречаются мнения о том, что полимеризованный гемоглобин с большой и очень большой молекулярной массой является первым реальным кандидатом на преклинические и клинические испытания. Но возникают проблемы, без решения которых нельзя приступать к клиническим испытаниям. Одна из таких проблем - неясность судьбы этих гигантских молекул в организме.

Предполагают, что они разрушаются в ретикулоэндотелиальной системе опсонинами плазмы и макрофагами. Это, по мнению Greenburg, «отвлекает» иммунологические механизмы от выполнения прямых задач и ослабляет иммунологическую защиту. Кроме того, при массивных инфузиях гигантские молекулы оказывают токсическое действие на ткани как самой молекулой, так и образующимися метгемоглобином и димерами гемоглобина. Внеэритроцитарный гемоглобин слишком быстро выводится из кровеносного русла.

В настоящее время обсуждаются следующие пути решения этой проблемы: моделирование эритроцитов путем микрокапсулирования растворов гемоглобина; химическая модификация гемоглобина с получением полигемоглобина и его конъюгатов с биополимерами; внутримолекулярная модификация гемоглобина, препятствующая его диссоциации на димеры. Важным направлением в современном развитии проблемы создания «искусственной крови» является создание неких микротелец или микрокапсул, содержащих гемоглобин. Тяжелые физиологические последствия разрушения эритроцитов известны давно, и еще в 1971 г. были сделаны первые попытки создания искусственных эритроцитов в виде твердых нейлоновых капсул с гемоглобином . Но первые опыты были неудачны, а перспективную идею вывели из небытия совсем недавно M.C. Farmer и B.P. Garber, создав методику получения липосом. При осуществлении микрокапсулирования растворов гемоглобина для создания искусственных мембран используются, кроме липидов, и синтетические полимеры, некоторые полимеризованные белки. Толщина получаемых мембран сравнима с толщиной мембран эритроцитов.

Основная проблема - короткий период циркуляции микрокапсул в кровеносном русле. А в 1989 г. Е. Tsuchida с помощью новейших методов создал структурные единицы в виде телец овальной формы диаметром в среднем 0,1 мкм. Каждая частица состояла из 500 - 2300 гемов гемоглобина, заключенных в двухслойную фосфолипидную мембрану. Двухслойная мембрана липосом обладала повышенной механической прочностью и стабильностью. Последняя значительно увеличивалась при внедрении особым способом в состав мембран токоферола , являющимся сильным антиоксидантом. Он предохранял мембрану от разрушительного действия оксидантов и удлинял срок сохранения ее структурной целостности. При замещении крови на 80 - 90% все животные выживали. Из этого следует, что по сути дела речь идет о создании аналогов функционирующей клетки. Казалось бы, что эта упрощенная модель эритроцита, судя по экспериментальным данным, может успешно функционировать в человеческом организме, и пора бы переходить на клинические испытания. Но в этих липосомах гемолипидный комплекс был способен осуществить лишь около 1 тысячи циклов «оксигенация - дезоксигенация». Это означает 6 - 8 часов «работы». Эритроцитарный же гемоглобин функционирует в течение 90 - 120 дней и способен осуществить 400 тысяч циклов. Кроме этого, автор в своей работе засекретил методику изготовления микротелец, но, учитывая строение микротелец и насколько сложна их конструкция, можно предположить, что методика очень дорогая и трудоемкая, и она не сможет удовлетворить потребности, например при массовом травматизме. К тому же возникает вопрос о механизмах разрушения и дезактивации таких очень сложных структур и продуктов их разрушения. Отмечается также внедрение искусственных липосом в элементы ретикулоэндотелиальной системы клетки и нарушении ее функции. Самой важной проблемой создания «искусственной крови» данного направления остается сохранение гемоглобином нативных свойств в течении длительного промежутка времени. В норме непрерывно происходящее разрушение этой сложной молекулы в эритроците купируется с помощью биологической работы ресинтеза, которая протекает с использованием энергии за счет гидролиза АТФ. Возможность искусственного получения таких мембран была показано еще 20 лет назад. Имеется принципиальная возможность создания таких мембран и для гемоглобинсодержащих липосом, но такая перспектива выглядит довольно отдаленной.

Очень перспективным и довольно интересным является другой вариант конструкции кислородпереносящих кровезаменителей на основе гемоглобина является разработка конъюгированного гемоглобина. Обычно это соединение гемоглобина с некоторыми органическими молекулами, которые защищают гемоглобин от разного рода внешних воздействий. В качестве защитного вещества можно использовать полиоксиэтилен. В опыте было показано, что при замещении крови этим раствором у собак до 5% каких-либо функциональных и органических изменений обнаружено не было. Полупериод жизни препарата составил 36 часов. Но снова возникает вопрос, на который в литературе нет ответа: а каковы механизмы разрушения такой сложной системы. Но и еще полупериод жизни 36 часов предполагает во времени повторную трансфузию, а последствия повторных массивных инфузий неизвестны, а поэтому непредсказуемы . Хотя известно, что в растворе полимеризованных гемоглобинов есть вызывающие токсичность примеси - стромальные липиды, эндотоксины, высокомолекулярные фракции гемоглобина, а через почки выводится лишь только половина гемопротеида, вторая половина из плазмы исчезает, но не появляется в моче, т.е. захватывается организмом. Большую роль в это играет процессы трансгемирования гемоглобина . Поэтому эти препараты с осторожностью назначают при печеночной недостаточности в связи с нарушением белковообразовательной функции печени. Недостаток модифицированного гемоглобина - в более высоком, по сравнению с донорской кровью, сродстве к кислороду, что связано с отсутствием регулятора обратной оксигенации и более низкой кислородной емкости. В последнее время найден метод, который позволяет устранить этот недостаток путем создания модифицированного гемоглобина, способного к обратимой оксигенации. Регулятором в таком случае является имизатглутаралальдегида: в атмосфере азота к глобину присоединяется пиридоксаль-фосфат, в дальнейшем полимеризация полученных комплексов посредством сшивания глутаралальдегидом. В качестве основы для такого полимеризованного гемоглобина можно использовать даже гемоглобин крупного рогатого скота. Но при всех этих преимуществах наблюдаются выраженные иммунные реакции организма на введение такого препарата, полученного из гемоглобина животных. Кроме того, применяется еще и внутримолекулярная сшивка для увеличения времени циркуляции препарата в кровеносном русле, но при этом нужно учитывать доказанную экспериментально малую селективность его, приводящую к образованию производных гемоглобина. Вследствие больших размеров молекулы модифицированного гемоглобина увеличивается СОЭ до 55 - 60 мм/ч. В последнее время активизировались исследования бычьего гемоглобина с целью использования его в качестве основы для создания «искусственной крови». Бычий гемоглобин тщательно очищают от примесей путем кристаллизации, полимеризуют и соединяют его с пиридоксаль-фосфатом. Благодаря слабым антигенным свойствам бычий гемоглобин в принципе может быть использован для конструирования «искусственной крови». Но нельзя не учесть возможность анафилактических реакций, при повторной инфузии их вероятность увеличивается во много раз. Бычий гемоглобин имеет преимущество над человеческим своей высокой доступностью и низкой стоимостью; отсутствием риска заражения реципиента инфекционным гепатитом и СПИДом; кроме этого, в силу своих структурных особенностей имеет низкое сродство к кислороду, близкое к таковому для донорской крови человека. Это позволяет избежать при получении полимера из бычьего гемоглобина по сравнению из гемоглобина человека весьма трудоемкого этапа - присоединения регулятора обратимой оксигенации пиридоксаль_5' - фосфата.

Перфторуглеродные эмульсии

Альтернативой кровезаменителя на основе модифицированного гемоглобина являются перфторуглеродные эмульсии. Биофизиков заинтересовала не только их химическая устойчивость, но большая способность жидких перфторуглеродов растворять газы. Они растворяют до 50 объемных% кислорода и в 4 раза больше углекислого газа. Для иллюстрации приведём эксперимент, который в свое время привлек к этому классу соединений внимание разработчиков кровезаменителей. В 1962 г. Ж. Килстра с соавторами опубликовал статью <Мышь как рыба>, в которой показал, что мышь может оставаться живой, будучи погруженной в физиологический раствор, который под повышенным давлением насыщается кислородом. Четыре года спустя Л. Кларк и Ф. Голлан обнаружили, что такой эффект можно получить при нормальном атмосферном давлении, если вместо воды применить жидкий перфторуглерод. Как бывает со всяким тонущим грызуном, его легкие наполняются жидкостью, но, к великому удивлению, он продолжает дышать. В опытах Кларка крыса дышала до 10 мин. Затем ее вынимали, удаляли жидкость, после чего она жила несколько дней. Кларк считал, что крысы погибали от воспаления легких. У нас этот эксперимент был повторен на мышах. Мышь погружена в жидкий перфторуглерод, насыщаемый при атмосферном давлении и при комнатной температуре кислородом из воздуха. Поглощаемый из перфторуглерода кислород позволяет ей оставаться живой, находясь под слоем жидкости. В наших опытах они не выдерживали столь длительно пребывания под слоем жидкости. Перфторуглероды в 2 раза тяжелее воды и в 1000 раз тяжелее воздуха, поэтому мускулатура легких мыши не может долго выдерживать такую нагрузку. Однако принудительное прокачивание через легкие может позволить животному длительное время дышать такой жидкостью. И все же массированная подача чистых перфторуглеродов в легкие не проходит бесследно . Чтобы избежать последствий от такого дыхания, необходимо использовать не один перфторуглерод, а готовить специальные эмульгированные смеси из двух или более разных перфторуглеродов. На этом аспекте проблемы ниже мы остановимся отдельно. Тем не менее столь наглядная демонстрация газотранспортных свойств перфторуглеродов сразу привела к идее использовать их как кровезаменители.

Первые медицинские применения фторсоединений были связаны с укреплением костей, прежде всего зубов. Эти соединения и сейчас широко используются в зубных пастах. В нашей стране приступить к исследованиям в области перфторуглеродных кровезаменителей стало возможным в 70_ых годах, когда созданная под научным руководством академика И.Л. Кнунянца фторная промышленность начала искать медицинские приложения своей продукции. Военных прежде всего интересовал кровезамещающий препарат, который можно применять в условиях полевых госпиталей. Работы были засекречены, но не увенчались успехом, т. к. разработчики пошли по пути повторения японского препарата флюозол, воспроизведя его со всеми недостатками.

Идея формирования открытой крупномасштабной междисциплинарной программы с привлечением специалистов разного профиля, в частности биофизиков, принадлежала Ф.Ф. Белоярцеву. Под его влиянием в 1979 году в Научном центре биологических исследований в г. Пущино было проведено первое организационное совещание, на котором была подготовлена программа совместных исследований почти 40 академических и отраслевых предприятий. 10 апреля 1979 года проект программы «Перфторуглероды в биологии и медицине» был доложен на Президиуме Академии наук СССР, который констатировал важность этих исследований и поручил И.Л. Кнунянцу, Ф.Ф. Белоярцеву подготовить предложения для Правительства СССР. Так появилась целевая комплексная программа под номером 42 с девятью пунктами основных направлений:

1. Разработка метдов синтеза, получения и очистки новых перфторуглеродов, поверхностно-активных веществ, плазмоэкпандеров, изучение их физико-химических и биологических свойств.

2. Создание и медико-биологическая апробация оксигенаторов крови на жидких фторуглеродных мембранах.

3. Создание «искусственной крови», предназначенной для возмещения кровопотерь.

4. Создание газопереносящих перфузионных сред для региональной перфузии и сохранения изолированных органов в целях трансплантации.

5. Использование эмульсий перфторуглеродов для кардиоплегии и перфузии коронарных артерий в целях защиты миокарда от аноксии при операциях на «открытом» сердце.

6. Использование эмульсий фторуглеродов для терапии нарушений микроциркуляции и регионального кровообращения.

7. Культивирование клеток на фторуглеродных подложках и средах, модифицированных фторуглеродами.

8. Разработка методов легочного дыхания млекопитающих в жидких средах.

9. Использование эмульсий фторуглеродов в качестве инкубационных сред в лабораторных исследованиях с переживающими тканями.

Главной целью этой программы было выполнение пункта 3. Первая англоязычная публикация, подытожившая его выполнение, появилась в 1983 г. «Ftorosan - oxygen carrying perfluorochemical plasma substitute». На нее и ссылались в англоязычной литературе, хотя ей предшествовали другие опубликованные на русском языке работы, выполненные в рамках этой программы. Следует заметить, что названиями фторосан и перфторан именуется один и тот же газотранспортный перфторуглеродный кровезаменитель. Замена названия фторосан на перфторан была вызвана просьбой Фармакологического комитета Минздрава СССР. Название кровезаменителя, первоначально предложенное нами, было созвучно названию другого фторного препарата фторотан, который был физиологически активен. Фторотан - это средство для ингаляционного наркоза. Таким образом перфторан был создан еще в конце 1982 году, а разработка его началась в 1979 г. профессор, доктор медицинских наук Феликс Федорович Белоярцев и академик, генерал-майор инженер Иван Людвигович Кнунянц . К сожалению, они ушли из жизни, начав исследования, но не увидев их результат. С 1985 по 1990 годы начались события, которые иначе, как абсурдными не назовешь. Людям старшего поколения памятна история этого периода, когда началась травля разработчиков, а массовая печать была заполнена публикациями на эту тему. Успешно идущие клинические испытания перфторана были остановлены. Исследования по доведению отечественного перфторуглеродного кровезаменителя до клиники и массового производства были задержаны почти на шесть лет. К его качеству и эффективности это не имело никакого отношения. Эти события унесли из жизни наиболее активного их разработчика Ф.Ф. Белоярцева. Вряд ли целесообразно излагать эту историю, поскольку теперь она описана в книгах и в статьях, в том числе и в журнале Nature. Только в 1990 году сотрудникам удалось настоять на продолжении работ и возобновлении клинических испытаний. В результате перфторан прошел все стадии клинических испытаний , одобрен Фармкомитетом , прошел регистрацию Фармакопейного комитета , получил регистрационное удостоверение и лицензию на массовое производство Министерства здравоохранения Российской Федерации . Препарат зарегистрирован как новое поколение кровезаменителей, обладающих газотранспортной функцией, улучшаюших газообмен и метаболизм на уровне тканей, повышающий кислородный транспорт крови, обладающий мембраностабилизирующей функцией, восстанавливающий центральную гемодинамику, обладающий протекторным действием на миокард и блокирующим медленные входящие кальциевые токи. Также он обладает сорбционными, диуретическими свойствами, улучшает динамику кровотока и периферическую микроциркуляцию крови. Здесь нет смысла приводить его химический состав и физико-химические свойства, т. к. теперь все эти сведения легко найти во многих доступных публикациях. В 1999 году разработчики, внесшие наибольший вклад в создание перфторана, были удостоины премии Правительства Российской Федерации. Ф.Ф. Белоярцев получил эту премию посмертно. К сожалению, мы часто говорим о лидерах нашей науки в прошедшем времени, похоронив их. В процессе создания этого препарата ежегодно проводились научные конференции. Теперь их направленность в большей степени стала клинической. По результатам конференций выпускаются тематические сборники статей. В сборниках достаточно полно отражены результаты, полученные на различных этапах работы. Всего было выпущено 10 таких сборников. Сейчас готовится к выпуску 11_ый. Однако многие из них стали библиографической редкостью и далеко не все библиотеки, даже в России, их имеют. Часть их содержания дублировалась в текущей научной периодике, которая более доступна. В списке литературы сделан акцент на эти публикации. Для удобства читателя ссылки содержат полное название работ. Ссылки на тезисы из-за их огромного количества в список литературы не включены. Кроме того по этой тематике защищено 9 докторских и 29 диссертаций кандидатов наук. Дальнейшее изложение пойдет по схеме: развернутые ответы на шесть вопросов, которые на разных этапах работы чаще всего задавались оппонентами. Такая форма избрана как наиболее удобная для изложения специфики воздействия перфторуглеродов на живые объекты.

Частично фторированные или недофторированные соединения обладают физиологической активностью и многие из них весьма токсичны. Так, гексафторбензол - это ингаляционный анестетик ; уже упоминавшийся фторотан - средство для ингаляционного наркоза; фторбензол, дифторбензол, полициклические фторароматические соединения - полупродукты в синтезе пестицидов; 5 - фторурацил - известный убийца РНК, используемый в химеотерапии рака. Инерционность мышления с переносом свойств недофторированных соединений на полностью фторированные первоначально культивировала негативное отношение ко всем соединениям фтора и породила вопрос. Не возникнут ли у перфторуглеродных эмульсий токсические эффекты? Если соблюдены технические требования на содержание свободного иона фтора и осуществлено полное фторирование углеводородных соединений, то токсической активности не будет. По сравнению с органическими соединениями перфторуглероды являются химически весьма устойчивыми. Если в углеводородах все водороды заменить на фтор, то будут получены перфторуглеродные соединения или перфторуглероды . Приставка «перфтор-» указывает на полное замещение. Иногда приставку перфтор заменяют латинской буквой F, реже греческой буквой ф . К классу перфторорганических соединений , которые могут найти применение в медицине, относятся не только перфторированные углеводороды, но и перфторированные третичные амины, перфторированные простые эфиры и полиэфиры. Последние отличаются от перфторированных углеводородов тем, что в своем составе содержат наряду с атомами углерода атомы азота или кислорода. Часто, хотя это не совсем верно, наименование ПФУ и ПФОС используют как синонимы. Мы в обзоре будем использовать для всех ПФОС сокращение ПФУ или F_углероды. Перфторуглероды разлагаются при температурах около 600-1000⁰С. При обычных температурах не реагируют с концентрированными кислотами, сильными окислителями, металлами и щелочами. Эти реакции возможны лишь с температур 200-400⁰С. Разложение крупных молекул ПФУ на смеси их фрагментов или выделение свободного иона фтора может происходить в условиях радиолиза или жесткого ультразвука. Поэтому ПФУ - эмульсии медицинского назначения нельзя готовить с помощью ультразвуковых дезинтеграторов и стерилизовать радиационным облучением. С щелочными металлами ПФУ реагируют только при очень сильном нагреве или в жидком NH3 при температуре 20⁰С. Поскольку в организме такие условия отсутствуют, то ПФУ-соединения не метаболизируются. Необходимо пояснить причины их химической инертности, их две.

Во-первых, необычная прочность ковалентных связей C-F . Для сравнения энергия ковалентной связи С-Н составляет 99 ккал / моль. Во-вторых, особая стереохимия ПФУ-молекул. Длины связей F и H с углеродом соизмеримы 1,39A и 1,09A, но атом F в 19 раз тяжелее атома водорода. Молекулы перфторуглеродов такие же компактные как молекулы аналогичных углеводородов, но весьма плотные и тяжелые. Перфторированные соединения покрыты «шубой» из атомов фтора, все связи которых ковалентно замыкаются на атомы углерода, находящиеся внутри. Это дало основание химикам образно назвать их «веществами с алмазным сердцем и шкурой носорога». Твердые ПФУ-соединения более устойчивы к действию концентрированных кислот и щелочей, чем благородные металлы - золото и платина. Поэтому твердые F_углероды стали кандидатами для создания на их основе различных протезов для медицины: искусственных сосудов, клапанов сердца, специальных раневых покрытий , а жидкие - «искусственной крови». На рис. 4 показаны примеры перфторорганических соединений, синтезированных в процессе выполнения работы сотрудниками академика И.Л. Клунянца.

На рис. 5 показана химическая структура основных жидких F_углеродов, нашедших применение при создании кровезаменителей.

Рисунок 5. Химическая структура основных ПФУ.

1 - F_актилбромид ; 2 - F_трибутиламин ; 3 - F_перфтордекалин ; 4 - F_метилциклогексил-пиперидин .

В скобках указаны формулы, молекулярный вес в далтонах, период полувыведения из организма и соотношение растворения О, sub>2 к CO₂ в объемных процентах. Приведенные перфторорганические соединения используются: 1_ый в американском кровезамещающем препарате - оксиджент;

комбинация 2-3_его в японском кровезамещающем препарате - флюозол DA; комбинация 3-4_ого в российском кровезамещающем препарате - перфторан. Для отбора наиболее перспективных для медицины перфторуглеродов использовалась комплексная система тестирования, основанная на совмещении физико-химических, клеточно-органных и физиолого-анатомических методов контроля.

Предварительно очищенные компоненты поступают на гомогенизацию . Здесь происходит превращение смеси в высокодисперсную эмульсию. Затем эмульсия проходит стадию центрифугирования. С помощью лазерного спектрометра определяется размер ее частиц. Эмульсия стерилизуется, пастеризуется и разливается по флаконам.

Заключение

Искусственная кровь выполняет две основные функции: 1) увеличивает объем кровяных телец 2) выполняет функции обогащения кислородом. В то время как вещество, увеличивающее объем кровяных телец, уже давно используется в больницах, кислородная терапия пока находится в стадии разработки и клинических исследований.

Несмотря на определенные трудности в исследованиях, ученые утверждают, что уже в самые ближайшие годы будет создана полноценная искусственная кровь. Если это произойдет, то по вкладу в развитие науки это открытие будет сравнимо разве что с возможным полетом человека на Марс.

Продукты на основе искусственной крови обладают множеством преимуществ перед донорской кровью

· Можно перелить искусственную кровь любому человеку, независимо от типа его крови, что имеет большое значение при неотложной хирургической помощи, где важна каждая секунда.

· Эти продукты можно хранить при комнатной температуре вплоть до двух лет, что устраняет потребность в холодильниках.

· С точки зрения передачи инфекционных агентов и аллогенов, искусственная кровь имеет лучшие параметры безопасности.

· В отличие от человеческой крови, получение которой зависит от великодушия донора-добровольца, искусственная кровь является широко доступной.

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. Следует считать весьма актуальной задачей более широкое применение методики перфузии изолированных органов при доклиническом изучении кровезаменителя и предварительном скрининге их компонентов. 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.
На основе теоретического материала сформулированы клинические требования к кровезаменителям:

1. Кислородпереносящие кровезаменители должны обеспечивать «вклад» в транспорт кислорода кровью при снижении гематокрита ниже 30% или по крайней мере 25%.

2. Это не должно сопровождаться сколько-нибудь значительным напряжением сердечно-сосудистой системы. Два основных пути решения проблемы:

- повышение эффективности кровезаменителя за счет увеличения кислородной емкости препаратов, однако без увеличения осмотического давления и вязкости.

- сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина в растворе вправо.
Теоретически создание такого кровезаменителя возможно, однако нужно иметь ввиду токсичность препарата. Важная проблема состоит в нарушении функций ретикулоэндотелиальной системы и иммунологических свойств организма, нарушение коагуляции крови. И хотя эмульсии фторуглеродов и называют «искусственной кровью» следует иметь ввиду, что название это весьма условно. Так как существует много проблем, без решения которых считать эмульсии фторуглеродов полным заменителем крови неправомочно. Скорее речь идет о «искусственных эритроцитах», или, если быть точными, об упрощенной модели эритроцита, так как эритроцит, кроме кислородпереносящей функции, выполняет множество других, не зависящих от транспорта кислорода, функций. Поэтому частичным решением проблемы замены крови является введение в организм комплексных, полифункциональных препаратов, в составе которых наряду с кислородпереносящими кровезаменителями присутствуют и плазмозаменители . И всегда нужно помнить о том, что переливание эмульсии отнюдь неравнозначно переливанию крови. Таким образом, создание кислородпереносящих кровезаменителей будет огромным шагом к решению проблемы «искусственной крови». Ряд вопросов, связанных с созданием и применением эмульсии фторуглеродов, требует еще своего разрешения: вопросы задержки и накопления в тканях, стабилизации эмульсии, ее хранения, повышения кислородной емкости. Особого изучения требует вопрос о возрастании рО2 в венозной крови и выключении эритроцитов из газообмена, происходящие при дыхании чистым кислородом. Необходимо найти минимальную дозу эмульсии, дающую прибавку в доставке кислорода необходимую для восполнения, а в некоторых случаях и превышение, первоначального снабжения кислородом тканей, и максимально допустимую дозу, при которой еще не происходит нарушений функций организма, в идеале же кровозаменитель должен в таком же объеме, что и кровь, полностью ее заменять, выполняя те же функции без каких-либо побочных эффектов. Нуждается в уточнении и вопрос о круге показаний к применению эмульсий перфторорганических соединений. До применения эмульсий ПФУ в клинике необходимо решить проблему влияния их на реакцию связывания антигена с антителом в реакциях с полными и неполными аллоантителами, преципитинами и лимфоцитотоксинами, реакцию связывания комплемента, розеткообразующую функцию Т- и В-лимфоцитов, а также изучение адсорбционных свойств эмульсий ПФУ в отношении иммуноглобулинов человека и ксеногенных антиглобулиновых сывороток.

Перспективы в создании искусственных кровезаменителей на основе гемоглобина:

- увеличение степени внутримолекулярных модификаций;

- создание новых кислородпереносящих кровезаменителей на основе полигемоглобин - пиридоксаль-фосфат.

Проблемы, которые являются ведущими на данном этапе разработки кислородпереносящих кровезаменителей на основе гемоглобина: отсутствие ответа в литературе на вопрос о безвредности создающихся препаратов, их токсичности, особенно при повторных инфузиях, разрушения и выведения из организма соответствующих конструкций, стерилизации препаратов, дороговизны их приготовления.

Виды на будущее

Перспектива для продуктов на основе искусственной крови еще никогда не была такой радужной. Несколько компаний уже приступили к третьей фазе клинических испытаний. Совсем недавно, в Южной Африке Hemopure был одобрен для терапии острой анемии и разрешен к применению при потере эритроцитов у взрослых хирургических пациентов. В этом году компания намерена добиваться разрешения на сбыт своей продукции в США.

Искусственная кровь вряд ли способна быстро решить проблему нехватки крови. Для широкого распространения нового продукта необходимо выполнение нескольких условий, в числе которых: одобрение со стороны Управления по контролю за продуктами и лекарствами , а также благосклонный прием со стороны врачебного сообщества и общества в целом. Необходимо будет также преодолеть сложности, связанные с ценой на новый продукт. Кроме того, искусственная кровь не сможет заменить донорскую. Она будет служить в качестве краткосрочного заместителя - до тех пор, пока не станет возможным переливание человеческой крови. В связи с дефицитом крови, о котором все больше говорится, в ближайшем будущем спрос на данную продукцию может оказаться весьма значительным.

Ученые из Кабардино-Балкарского НИИ сельского хозяйства создали новый сорт восковидной кукурузы. Сорт кукурузы «Восковидная_1» отличается от других сортов тем, что в его зерне вместо обычного крахмала содержится амилопектиновый . Это придает ему особую ценность. То есть, если обычно доля амилопектина в кукурузном крахмале составляет 20-30%, то в новом сорте - 100%.

Амилопектиновый крахмал широко применяется в пищевой промышленности. Они обеспечивают различным соусам, начинкам, кремам, консервированным и молочным продуктам необходимую вязкость, однородность и стабильность текстуры. Благодаря высоким клеящим свойствам этот вид крахмала широко используют при производстве связующих покрытий, клеев для этикеток и конвертов, клейких лент, в картонажном производстве, а также в качестве модификаторов вязкости. и устойчивость при хранении. Благодаря своей высокой стабильности он в качестве загустителя и стабилизатора включается в состав детского и лечебного питания.

Еще одно важнейшее применение амилопектинового крахмала - в качестве компонента противошокового кровезаменителя «Волекам», то есть искусственной крови, который был разработан еще в конце 60_х годов 20 века в «ВНИИ крахмалопродуктов» вместе с ВНИИ кровезаменителей и Центром хирургии. Гидролизованный амилопектиновый крахмал, разработанный в НИИ крахмалопродуктов, использовали как плазмозаменяющее средство. Применяется «Волекам» при травмах, ожогах, операционном шоке, сепсисе.

Сейчас весь амилопектин, вырабатываемый на крахмальных заводах России, получают из импортного дорогостоящего сырья. И вот, благодаря работе селекционеров из КБНИИСХ и Всероссийского НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова РАСХН, ситуация может резко измениться.

Искусственные кровеносные сосуды

Стадия разработки: подготовка экспериментов на людях. Ученые недавно разработали искусственные кровеносные сосуды, используя коллаген, выделяемый из шкуры…лосося. Использования коллагена из лосося абсолютно безопасно, поскольку современная наука не знает ни одного вируса, который способен передаваться от лосося человеку . Пока эксперименты проводятся на животных, однако ученые готовятся к экспериментам на людях. Исследователи уверены, что созданные ими биоматериалы можно будет использовать для замены поврежденных кровеносных сосудов человека.