Wiedza i Życie 07/2012
W numerze m.in.:

Biotechnologia
Medycyna na miarę; Adam Wawrzyński 
Optyka
Szkiełko i oko; Marek Miś 
Fotografia naukowa
Ukryte piękno; Agnieszka Łukaszewicz 
Archeologia doświadczalna
Stąd do średniowiecza; Agnieszka Krzemińska 
Medycyna
Zapanować nad ciałem; Olga Orzyłowska-Śliwińska 
Ekologia
Strefa śmierci. Strefa życia; Andrzej Hołdys

Idea systemu informatycznego, który przechowywałby wiedzę eksperta i podobnie jak on wnioskował, pojawiła się już pół wieku temu. Nawet jednak dziś zbudowanie systemu ekspertowego nie jest łatwym zadaniem, m.in. ...
Czy powrót do przeszłości jest możliwy? Tak, jeśli ją sobie odtworzymy. A to nie tylko świetna zabawa, ale też nauka, również pokory. To ciekawe, że na pytanie: „Czy gdyby istniał wehikuł czasu, to chciałbyś cofnąć się w czasie, czy ...
Już niedługo niemal każdego będzie stać na poznanie sekwencji własnego genomu. Co zrobimy z tą wiedzą? „Dzisiejsza data nie wyznacza końca ery genomiki, lecz raczej koniec jej początku. Wspólnie musimy osiągnąć...
Aktualne numery
07/2017
06/2017
Kalendarium
Czerwiec
26
W 2004 r. na Słowacji odkryto najdłuższą tatrzańską jaskinię – Cień Księżyca.
Warto przeczytać
Chwila bez biologii… nie istnieje. W nas i wokół nas kipi życie. Dlaczego by wobec tego nie poznać go bliżej, najlepiej we własnym laboratorium? By nie sięgać daleko, można zacząć od siebie.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Małgorzata T. Załoga | dodano: 2012-05-28
Czerwony alarm

Krew żywi, oczyszcza i leczy. Chroni nas przed drobnoustrojami i toksynami. Bez niej nie mogłaby długo przetrwać żadna komórka naszego ciała. Gwałtowna utrata 1/4 krążących w naszych żyłach zasobów (czyli ponad litra) często prowadzi do śmierci. Współczesnemu obywatelowi jednego z w miarę rozwiniętych krajów świata leczenie skutków masywnej utraty krwi wydaje się proste - trzeba przetoczyć choremu to, czego mu brakuje.

Choć dzisiaj transfuzje są codziennością (w Polsce co roku przetacza się prawie 2 mln, a na świecie ponad 31 mln jednostek, czyli odpowiednio niemal 1 mln i ponad 15,5 mln litrów), krwi wciąż brakuje, zaś jej podawanie jest obarczone ryzykiem.

Rosyjska ruletka

Od kiedy William Harvey w 1628 roku odkrył, że krew krąży w naszym ciele w układzie zamkniętym, zaczęto zdawać sobie sprawę, że może jej brakować. Skutki utraty krwi próbowano więc leczyć podaniem tej substancji. Gdy w 1665 roku dr Richard Lower z Oksfordu przetaczał krew psom, eksperymenty były udane - zwierzęta przeżywały zabieg. Gdy jednak po kolejnych dwóch latach spróbował przetaczać psią krew ludziom, spotkał go srogi zawód. Biorcy umierali jeszcze szybciej niż ofiary krwotoku, którym nie próbowano ratować życia taką transfuzją. Niemal 100-proc. śmiertelność sprawiła, że w 1678 roku Paryskie Stowarzyszenie Lekarskie zakazało takich zabiegów.

Zakaz obowiązywał przez ponad 150 lat. Złamał go dopiero w XIX wieku brytyjski położnik James Blundell, któremu w 1795 roku udało się uratować pewną kobietę. Po krwotoku poporodowym przetaczył jej krew męża. Miała wielkie szczęście. Najprawdopodobniej przypadkiem mąż miał taką samą jak ona lub zerową grupę krwi. W miarę bezpieczne transfuzje zawdzięczamy dopiero Karlowi Landsteinerowi, który w 1901 roku odkrył, że ludzka krew może różnić się właściwościami u różnych osób i udane transfuzje można przeprowadzać tylko między tymi, w których żyłach płynie krew identycznej grupy. Wcześniej był to rodzaj rosyjskiej ruletki: uda się albo nie.

W przypadku niezgodności obecne w osoczu biorcy przeciwciała gwałtownie niszczą krwinki czerwone dawcy, co prowadzi do wstrząsu, ostrej niewydolności nerek i do śmierci. Dziś bez sprawdzenia zgodności grupowej i przeprowadzenia tzw. próby krzyżowej przetoczenie krwi jest nie do pomyślenia, a i tak zdarza się, że dochodzi do nieprzewidzianych reakcji, jeśli np. dawca lub biorca są "właścicielami" nietypowych, bardzo rzadkich przeciwciał lub antygenów, których nie sprawdza się rutynowo. Takie przypadki najczęściej przytrafiają się osobom, które z różnych przyczyn muszą mieć wielokrotnie przetaczaną krew.

Pochodząca od różnych dawców tkanka (bo krew jest tkanką, tak jak skóra czy tłuszcz) może ich uczulić tak, że przy kolejnych transfuzjach zareagują na cząsteczki, na które wcześniej ich układ odpornościowy nie zwróciłby uwagi. Statystycznej osobie obcą krew przetacza się jednak najwyżej kilka razy w życiu, a prawidłowo wykonane procedury krzyżowania niemal całkowicie eliminują możliwość reakcji na samą krew.

O wiele częściej tkanka ta okazuje się "darem śmierci", gdy zawiera niebezpieczne dla zdrowia wirusy albo zakaźne białka - priony. Kilkanaście lat temu, na początku lat 90. ubiegłego wieku, niemal 10% zakażeń HIV w krajach rozwiniętych było skutkiem podania zakażonej krwi (w Afryce jeszcze dziś "zła" krew jest przyczyną ok. 5% zachorowań na AIDS). Do niedawna swoje żniwo (i to zarówno wśród biorców, jak i dawców) zbierał HCV, czyli wirus żółtaczki zakaźnej typu C (krew zaczęto sprawdzać pod tym kątem dopiero ok. 10 lat temu). Ostatnio postrach siał tzw. wirus zachodniego Nilu. W Stanach Zjednoczonych kilkadziesiąt osób ciężko zachorowało na wywoływaną przezeń gorączkę nie od ukąszenia komara, ale właśnie w wyniku transfuzji. Teoretycznie (do tej pory opisano tylko jeden taki przypadek) z krwią można też przenieść komórki nowotworowe i wywołać raka. Nic więc dziwnego, że lekarze i naukowcy wciąż szukają sposobów, dzięki którym takie zabiegi byłyby bezpieczniejsze.

Zwłaszcza że - jak wynika z danych WHO zebranych w 178 krajach - choć jakość krwi się poprawia, nadal co roku nie przeprowadza się 6 mln testów wykrywających najczęstsze zakażenia - krętkiem kiły, HIV oraz żółtaczek zakaźnych typu B i C. Nawet w Stanach Zjednoczonych na każde 40 tys. jednostek krwi testowanych w kierunku zakażenia HIV (blisko 250 transfuzji rocznie) jedna daje wynik fałszywie ujemny i wirus przedostaje się do organizmu biorcy. Jeszcze gorzej jest z żółtaczkami. Szacuje się, że aż u 5% biorców dochodzi do pogorszenia stanu zdrowia spowodowanego przetoczeniem krwi - to, bagatela, blisko 200 tys. przypadków rocznie. Przy przetaczaniu koncentratów krwinek płytkowych ryzyko bakteryjnego skażenia wynosi aż 1:2000. Skoro zatem nie ma doskonałych metod sprawdzania "czystości" krwi, alternatywą jest jej oczyszczanie. To jednak jest równie trudne jak wychwycenie potencjalnie niebezpiecznych próbek.

Krew nie woda

Czym jest krew? To mieszanina wielu rodzajów komórek, licznych białek, jonów mineralnych i związków chemicznych, z których każdy ma do spełnienia ważną rolę. I tak czerwone krwinki odpowiadają za oddychanie - dostarczają tlen do komórek i odbierają stamtąd dwutlenek węgla. Białe krwinki to "siły policyjne".

Razem z wytwarzanymi przez siebie przeciwciałami strzegą organizmu przed zakażeniami, niszczą bakterie, wirusy i obce białka (np. alergeny). Z kolei płytki krwi odpowiadają za właściwą płynność zawartości naszych żył. Bez nich przy najmniejszym zranieniu moglibyśmy się wykrwawić na śmierć - inicjują proces krzepnięcia. Wszystkie komórkowe składniki krwi stanowią mniej niż połowę jej objętości. Reszta to osocze - koloidalny roztwór, w którym rozpuszczają się substancje odżywcze i produkty przemiany materii, hormony, neuroprzekaźniki, witaminy, białka niezbędne do krzepnięcia krwi i tysiące innych substancji. Dzięki niemu w tkankach panuje właściwy odczyn i ciśnienie, sprawnie przebiega komunikacja między narządami, rozmaite związki chemiczne docierają tam, gdzie są potrzebne.

Wszystkie te funkcje w sieci naczyń o długości 100 tys. km pełni tkanka o objętości niecałych 5 l. Dotąd nie udało się stworzyć niczego, co zastąpiłoby ją w pełni. Wciąż jest jedynym w swoim rodzaju lekiem ratującym życie. Tak naprawdę jednak jest żywą tkanką. Dlatego tak trudno sprawić, by była bezpieczna, nie niszcząc jednocześnie jej cennych właściwości. Nie można jej przecież zagotować ani potraktować promieniami Roentgena.Jednym z najnowszych sposobów niszczenia niechcianych "pasażerów na gapę" jest amotosalen (związek z rodziny psoralenów).

Dodany do porcji krwi przechodzi przez błony obecnych w niej komórek. Zarówno tych, które powinny tam być (czerwonych krwinek czy płytek krwi), jak i "niechcianych" - bakterii czy wirusów. Jeśli następnie taką krew naświetli się promieniami UV, amotosalen wiąże się z materiałem genetycznym i uniemożliwia replikację.

Dojrzałe erytrocyty ani płytki nie mają jądra komórkowego i nie dzielą się więc - takie fotooczyszczanie nie wpływa na właściwości tak przygotowanej krwi. Można ją więc przetaczać prawie bezpiecznie. Prawie, bo amotosalen i jego niewymagający światła odpowiednik - S 303 nie niszczą bowiem prionów, a te, choć zakaźne, nie zawierają kwasu nukleinowego ani części wirusów pozbawionych białkowej otoczki. Uważa się też, że substancja ta może mieć problem z wnikaniem do bakteryjnych przetrwalników (spór).

Nic więc dziwnego, że uczeni próbują stworzyć substancje, które potrafiłyby zastąpić krew. Każdy, kto chciałby stworzyć taki substytut, musi jednak najpierw odpowiedzieć sobie na pytanie, na jakiej funkcji najbardziej mu zależy. I tylko tę spróbować odtworzyć. W laboratoriach trwają więc prace nad płynami, które potrafią przenosić tlen do tkanek, i nad takimi, które potrafią wspomagać proces krzepnięcia.

Transportowcy - stachanowcy

Podstawową funkcją krwi, jakiej "brakuje" przy krwotokach, jest przenoszenie tlenu. Pozbawione go tkanki obumierają i jeśli najdalej w ciągu kilku godzin nie uda się przywrócić krążenia, uszkodzenia stają się nieodwracalne. O ile wyrównanie samej objętości krążącego w naczyniach płynu jest proste, lekarze mają bowiem do dyspozycji kilkanaście rodzajów płynów dożylnych, o tyle nadal problemem jest, by ten płyn dostarczał odpowiednią dawkę tlenu. Ten bowiem słabo rozpuszcza się w osoczu - gros przenoszone jest przez krwinki. Dlatego przy masywnych krwawieniach przetacza się zwykle nie pełną krew, lecz koncentrat czerwonych krwinek zwany masą erytrocytarną.

Idealny krwiosubstytut przeznaczony do przenoszenia tlenu powinien zatem:

być równie łatwy do pozyskania jak krew
mieć lepszą zdolność do przenoszenia tlenu
utrzymywać właściwą objętość i ciśnienie w naczyniach (część stosowanych obecnie płynów krwiozastępczych łatwo przenika na zewnątrz naczyń, powodując obrzęki tkanek, a jednocześnie spadek objętości krwi krążącej w żyłach)
być uniwersalny, możliwy do przetoczenia każdemu
być sterylny, pozbawiony mikrobów, obcych białek i przeciwciał, które mogłyby wywołać reakcję alergiczną
mieć długi czas przydatności i dawać się przechowywać w szerokim zakresie temperatur
być tani (co najmniej tak jak naturalna krew).
Wymagań jest wiele, nic dziwnego zatem, że trudno im wszystkim sprostać. Na placu boju pozostały obecnie dwie grupy preparatów. Pierwszą stanowią pochodne fluorokarbonu (PFC). Można je przechowywać nawet przez 2 lata (podczas gdy czerwone krwinki maksymalnie przez 42 dni), nie niosą ryzyka infekcji (np. HIV czy żółtaczką) ani reakcji wywołanych niezgodnością serologiczną. W przeciwieństwie do hemoglobiny cząstki PFC nie wiążą tlenu, lecz go rozpuszczają, przez co mogą wymieniać ten pierwiastek dwa razy szybciej. 1 jednostka (100-110 ml) perfluorokarbonu potrafi przy tym przenieść tyle tlenu co 1-2 jednostki krwinek (300-600 ml koncentratu czerwonych krwinek). Najdalej po kilkunastu godzinach od transfuzji większość cząsteczek PFC opuszcza układ krążenia pacjenta przez płuca. Skoro są takie skuteczne, dlaczego nie wyparły z rynku prawdziwej krwi?

Otóż ze względu na swoje niewielkie rozmiary cząsteczki PFC są postrzegane jako ciała obce przez część naszych sił obronnych - tzw. komórki układu siateczkowo-śródbłonkowego. Komórki te „zjadają” intruzów, co wywołuje objawy podobne do grypy (bóle mięśni, gorączkę, nudności i wymioty), powiększenie śledziony i wątroby oraz (co szczególnie niebezpieczne) spadek liczby płytek krwi i związane z tym upośledzenie mechanizmów krzepnięcia. To wymusza ograniczenie objętości podawanych jednorazowo fluorokarbonów. Ponieważ zaś PFC nie podlegają przemianom metabolicznym, usunięcie wszystkich cząsteczek z organizmu pacjenta po transfuzji może zająć nawet dwa lata.

Krwinka - niedoścignione opakowanie

Alternatywą dla syntetycznych przenośników, i to, jak się wydaje, bliższą urzeczywistnienia na szeroką skalę, jest "naturalny" przenośnik tlenu - hemoglobina.
Choć próbowano ją stosować już w początkach XX wieku, zaprzestano eksperymentów, gdyż - jak się okazało - słabo oczyszczony roztwór hemoglobiny w soli fizjologicznej (0,9% NaCl) był toksyczny dla nerek. Gdy dopracowano technologię otrzymywania czystej substancji, pojawił się kolejny problem - zbyt chciwie wiązała się z tlenem i zbyt szybko znikała z krwiobiegu. By stała się klinicznie użyteczna, trzeba było wielu lat badań. Obecnie testowane krwiosubstytuty, tzw. HBOC, pod wieloma względami są efektywniejsze niż naturalny koncentrat czerwonych krwinek.

Zaczynają działać natychmiast po podaniu, ponieważ do uwalniania tlenu nie wymagają dodatkowej substancji, tzw. 2,3-DPG, obecnej w krwinkach (lecz niebędącej częścią hemoglobiny). Mają niewielką lepkość, więc nie zatykają drobnych naczyń, zaś krew płynie żwawiej. Można je przechowywać w pokojowej temperaturze nawet kilka lat, w postaci proszku, a tuż przed użyciem 'upłynnić", mieszając ze sterylnym roztworem. Co ważne, są uniwersalne, nie wymagają zatem dobierania grupy. Poza tym są pozbawione krwinek białych, a zatem transfuzja nie niesie ze sobą zagrożenia ekspozycją na komórki obcego układu odpornościowego. No i proces produkcyjny praktycznie wyklucza ryzyko zakażenia patogennymi mikrobami.

Kilka nowych preparatów jest obecnie w fazie testów klinicznych. Jeden z nich wypróbowano niedawno na pacjentach szpitala Karolinska w Sztokholmie. Choć dokładny sposób jego uzyskiwania jest trzymany w tajemnicy, wiadomo, że specyfik (podobnie jak jego konkurenci) jest wytwarzany z krwi, która nie nadaje się już do "standardowych" przetoczeń, bo straciła ważność. Są też krwiosubstytuty, przy produkcji których wykorzystuje się jako źródło hemoglobiny krew krowią czy świńską. Wszystkie przebijają PFC zbliżoną do prawdziwej krwi tzw. krzywą dysocjacji hemoglobiny. Oznacza to, że przenoszą sporo tlenu, nawet gdy w powietrzu wdychanym przez pacjenta jest go mało. Tymczasem syntetyczny roztwór PFC do pełni efektywności potrzebuje wysokiego wysycenia powietrza tlenem. Jeśli nowe preparaty przejdą pomyślnie kolejne testy, z pewnością trafią na wyposażenie karetek pogotowia i oddziałów pierwszej pomocy. Wszędzie tam, gdzie trzeba jak najszybciej uzupełnić pacjentowi utraconą krew. Podobnie zresztą jak perfluorokarbony.

Substytuty nie są jednak rozwiązaniem mogącym całkiem zastąpić prawdziwą krew. Raczej kupują lekarzom czas niezbędny do zorganizowania odpowiedniej ilości tej ostatniej. Ich działanie znika bowiem najdalej po trzech dniach, podczas gdy czerwone krwinki żyją 60-90 dni.
Lepiej też wypełniają naczynia od stosowanych dotychczas roztworów soli czy koloidów. Główną ich wadą, której jak dotąd nie udało się wyeliminować, jest działanie naczynioskurczowe. To znaczy, że przetaczany roztwór obkurcza naczynia, którymi płynie. Efekt ten jest najsilniejszy w najmniejszych naczyniach, dlatego zamiast poprawiać ukrwienie obwodowych tkanek, może je pogarszać. HBOC zwiększają także krzepliwość krwi, co zwłaszcza w połączeniu z obkurczeniem naczyń może prowadzić do zakrzepów w ich wnętrzu.

Podobnie jak przy przetaczaniu roztworów koloidowych (np. dekstranów) trzeba też brać pod uwagę, że większe ilości substytutu zmieniają wyniki badań laboratoryjnych, takich jak enzymy wątrobowe, poziom bilirubiny czy amylazy, co może utrudniać postawienie rozpoznania u świeżo przywiezionego pacjenta. Do zalet nie należy też cena. O ile jednostka krwi kosztuje 100-150 dol., o tyle cena substytutu na bazie hemoglobiny kształtuje się na razie między 400 a 800 dol. Zresztą nawet gdyby ten koszt udało się obniżyć (co zapewne nastąpi), to jak obliczyli eksperci, tylko w Stanach Zjednoczonych, by zastąpić 20% rocznie zużywanej tam ilości krwi, trzeba by przerobić 70 ton hemoglobiny. By zastąpić 50% przetaczanych rocznie w USA krwinek hemoglobiną "prawie" ludzką, trzeba by zaś hodować stado 100?tys. transgenicznych świń.

Zastąpić hydraulika

Jeszcze większy problem jest z zapewnieniem krwi właściwej płynności. U zdrowego człowieka dzieje się to w sposób naturalny, aczkolwiek w żadnej mierze nie prosty. Prawidłowe krzepnięcie wymaga kilkunastu różnych białek i, co najważniejsze, płytek krwi, czyli kawałków krwinek zwanych za ich "młodości' tromboblastami. Płytki, podobnie jak erytrocyty, nie posiadają jądra komórkowego ani materiału genetycznego. Ich głównym zadaniem jest kontrola krzepnięcia. Działają niczym hydrauliczna ekipa nadzoru. Gdy zauważą wyciek, prowizorycznie go zatykają, a następnie przywołują na miejsce inne "służby", które porządnie łatają uszkodzenie. Niestety, czasem ekipa zawodzi, jest nie dość szybka, nie dość liczna albo tak mało bystra, że nie radzi sobie z obsługą naczyniowych rur. Wtedy jedynym ratunkiem, aby nie doszło do wycieku, jest sprowadzenie hydraulików z zewnątrz.

Jest z tym jednak większy problem niż z zapewnieniem dostaw tlenu. Przede wszystkim ekipa jest mniejsza. Odzyskanie płytek z pełnej krwi oddanej przez jednego dawcę daje niewiele płytek. Jeden pacjent musi zatem dostać krew przeciętnie pięciu-siedmiu dawców. To znacznie zwiększa ryzyko niepożądanych reakcji i zakażeń. O ile przy przetaczaniu ME ryzyko zakażenia HIV wynosi dziś 1:2 000 000, o tyle skażona mikrobami może być nawet 1 na 2 tys. porcji płytek. Składa się na to kilka czynników. Po pierwsze, liczba dawców (to można wyeliminować, stosując technikę aferezy) i konieczność "zlewania" przed podaniem.

Po drugie, wyjątkowo trudne warunki przechowywania. Nie dość, że płytek nie można zamrażać (muszą być przechowywane w temp. 22oC), to jeszcze należy cały czas łagodnie poruszać pojemnikiem, zaś on sam musi być przepuszczalny dla tlenu i dwutlenku węgla. Wadą świeżych płytek jest też to, że są „zanieczyszczone” białymi krwinkami. To nie tylko stwarza ryzyko natychmiastowej reakcji immunologicznej, ale także "uczula" biorcę, przez co przy kolejnych transfuzjach płytki trzeba dobierać tak, by były zgodne z jego antygenami HLA.

Tymczasem na świecie co roku przeprowadza się ponad 5 mln transfuzji płytek. 70-80% przypada na zabiegi kardiochirurgiczne i onkologiczne. Bywa, że są niezbędne niemal natychmiast, jak w przypadku zespołu wykrzepiania wewnątrznaczyniowego czy po przeszczepach.
Są szanse, że preparaty z płytek wyprą supernowoczesne nanosfery o średnicy 2-4 ľm, podobne do widocznych na otwarciowej grafice, skutecznie wspomagając zbyt szczupłe brygady własnych płytek u chorych i ułatwiając tworzenie skrzepu w miejscu zranienia. W przeciwieństwie do płytek takie nanosfery byłyby sterylne, zaś możliwość zamrażania sprawia, że można by je przechowywać co najmniej kilka miesięcy zamiast dni.

Kiedy mają szansę trafić do klinik? Nawet optymiści liczą ten czas w latach, pesymiści - w dekadach. Naturę bowiem, jak się okazuje, niezmiernie trudno udatnie podrobić.