Искусственные переносчики кислорода как возможная альтернатива эритроцитов в клинической практике
Автор: Fabiano Timbo Barbosa; Mario Jorge Juca; Aldemar Araujo Castro; Jose Lira Duarte; Luciano Timbo Barbosa
Источник: http://www.scielo.br
Резюме
Инфузионная терапия предназначена для устранения нарушений микроциркуляции и восстановления адекватной оксигенации тканей. Искусственные переносчики кислорода, основанные на перфторуглероде или гемоглобине привлекательные альтернативы аллогенных эритроцитов. Есть много рисков, участвующие в аллогенных переливаний крови, и они включают в себя передачу инфекций, задержка послеоперационного заживления ран, переливания реакции, иммуномодуляцию и рецидива рака. Независимо от того, доступны ли для рутинного клинического использования искусственных переносчики кислорода, необходимы дальнейшие исследования, чтобы показать безопасность и эффективность этих веществ для клинической практики.
Ключевые слова: гемоглобин, анемия, кровь, переливание крови, кровезаменители.
Введение
Переливание крови является универсальной процедурой, которая используется в клинической и медицинской практике. За последние годы использование искусственных носителей кислорода получало много внимания. Причины этого были рост стоимости сбора и обработки крови, озабоченность общественности по поводу безопасности продуктов крови, осложнений от переливания крови, военных требований к увеличению объемов крови во время военных конфликтов. Искусственные переносчики кислорода — это синтетические растворы с способностью связывать, транспортировать и разгружать кислород.
В 1949 году Амберсон сообщил первый настой бесклеточного гемоглобина.
Идеальные характеристики для кровезаменителей являются свойства: сходство с природным гемоглобином с точки зрения транспортировки кислорода и двуокиси углерода и доставки; отсутствие почечной токсичности, стабильность при комнатной температуре; достаточно полураспада в обращении; длительный срок хранения; простота использования; нет перегрузки ретикулоэндотелиальной системы.
Развитие модифицированных растворов гемоглобина в 1980-х было улучшено, в них продукты показали стабильность и меньшим количеством побочных эффектов, носителей кислорода в артериальной крови на основе перфторуглеродов или на основе гемоглобина носителей кислорода альтернативы аллогенных эритроцитов.
Анемия
Она была известна в течение длительного времени, что нормальная подача кислорода и оксигенации тканей не зависят от нормальной концентрации гемоглобина. Первоначально анемия компенсирована увеличением сердечного выброса, который сначала, вызвается увеличением левого желудочка в более глубоких стадиях нормоволемической анемии, это сопровождается увеличением сердечной доставки кислорода к тканям.
Механизмы, участвующие в соответствии с требованиями оксигенации тканей включают повышенную экстракцию ткани кислорода, так что общее потребление кислорода тела первоначально остается в крайней степени анемии, количество кислорода, поставляемого в ткани становится недостаточным для удовлетворения их потребности в кислороде.
Искусственные кислородные перевозки
Альтернативы аллогенных эритроцитов были исследованы в попытке обойти неблагоприятные последствия, связанные с переливанием, которые включают передачу инфекций, задержка послеоперационного заживления ран, переливания реакции, переливания связанных с острым повреждением легких, иммуномодуляцию и потенциал для раковой заболеваемости, передачи вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) с помощью переливания крови составляет около один миллион к одному в 2,5 млн. единиц крови, а риск гепатита С является примерно один из 100 000 к одному в 350000 неинфекционных осложнений.
Некоторые методы, которые являются полезными для снижения были разработаны необходимостью аллогенных переливаний крови во время операции. Одной привлекательной альтернативой аллогенных эритроцитов является синтетические кровезаменители, которые могут быть применены независимо от группы крови, в настоящее время исследования в области кровезаменителей является центрирование на синтетически изготовленные перфторуглероды.
ПФУ — соединения фтора характеризуются высокой газорастворительной мощностью, низкой вязкостью. ПФУ практически не смешивается с водой и, следовательно, должен быть эмульгирован для внутривенного стабильной эмульсии 60% в настоящее время разрабатываются (58% бромид перфтороктил бромид и 2%) и, следовательно, относительно высокой концентрированной эмульсии, что клинически хорошо переносится теперь. ПФУ имеют чрезвычайно малый размер (0,2 мкм в диаметре). ПФУ не имеют кислорода — связывающие свойства гемоглобина, но выступают в качестве простых растворителей. Их кислородные кинетики характеризуются линейной зависимостью между парциальным давлением кислорода в артериальной крови и содержанием кислорода, количеством газа, когда парциальное давление кислорода в артериальной крови возрастает, количество кислорода переносимое ПФУ увеличивает кислородный релиз к тканям.
В настоящее время, метаболизм ПФУ у человека не полностью. Капли ПФУ эмульсионные быстро переходят в ретикулоэндотелиальную систему (РЭС). Это поглощение в РЭС определяет внутрисосудистый полураспад. В РЭС, капельки эмульсии постепенно разрушаются. ПФУ затем транспортируются в легкие. ПФУ эмульсии имеют побочные эффекты. Неблагоприятные эффекты включают: гриппоподобные симптомы и взаимодополняющие, и фагоцитарные. Симптомы гриппа переходное покраснение лица, боли в спине (особенно в период инфузии), вторичная к ВИЭ активации.
Преимущества ПФУ являются их низкая стоимость, длительный срок хранения (два года), отсутствие эффектов, малый размер и синтетическая природа (без возможности патогенов переливания). К недостаткам относятся симптомы гриппа, как, потребность в высокой кислородной концентрации, быстрое оформление плазмы и низкий потенциал за перенос кислорода.
Гемоглобин является очевидным кандидатом для замены крови, он имеет высокую способность переносить кислород. После того, как гемоглобинный фрагмент был удален из защитной среды мембраны эритроцитов, низкие концентрации 2,3 – дифосфоглицерата присутствуют. Эти причины диссоциации оксигемоглобина сдвигают кривую сдвига влево. Гемоглобин тетрамеры диссоциируют на их составные димеры, которые подвергаются быстрому устранению из организма через почки. Очищенная молекул гемоглобина химически модифицирована, чтобы увеличить их стабильность и модулировать кислород. Эти химические модификации включают внутримолекулярной крест – ссылки, полимеризации с использованием глутаральдегида или уплотнительную раффинозу, сопряжение полиэтиленгликоля.
Читайте также: В чем измеряется прочность ткани
В стадии разработки все имеют сосудистые полураспады в диапазоне от 18 до 24 часов, что является достаточным для наиболее интенсивной терапии. Большинство из них можно хранить при температуре 4?С или при комнатной температуре в течение 1–2 лет и ни один из них не требуют никакой формы совместимости. Внеклеточный гемоглобин обладает сильными сосудосуживающими свойствами. Основные механизмы, объясняющие это действие являются вывоз мусора оксида азота, дополненной выделение эндотелина и стимуляции рецепторов эндотелина.
Сотовый гемоглобин имеет онкотические свойства и увеличивает объем крови на величину больше, чем переливание. Это действие может быть полезно, когда расширение плазмы требуется в случаях ударной реанимации, но и может быть вредным при отсутствии гиповолемии. Гемоглобин имеет много побочных эффектов. Их вазоактивность увеличивает давление в легочной артерии и увеличивает системные и легочные сосудистые свободного от стромы гемоглобина результаты.
Для достижения эффективного сокращения РБК, переливания, должны быть пронизаны в течение длительного периода. Преимущества в том, что они увеличивают содержание кислорода в крови; есть хороший потенциал для перенос кислорода в физиологических уровнях; свободны от риска инфицирования; имеют небольшой размер. Недостатки в том, что их использование может привести к гипертонии, возможны почечные токсические эффекты, сепсис, цитотоксические эффекты.
Заключительные положения
Хотя заболеваемость, передаваемой ВИЧ, вирусом гепатита В и вирусом гепатита С, значительно сократилось с 1980 года, существует угроза новых или возникающих патогенов, таких как болезни Крейтцфельдта-Якоба (в том числе крупного рогатого скота губчатой энцефалопатией), вирус гепатита G, человеческий вирус Т-клеточного лейкоза, бактериальное загрязнение и корона (отвечает за тяжелого острого респираторного синдрома).
Потенциальные преимущества, предлагаемые перевозчиками кислорода включают универсальную совместимость, 59 лет срока хранения по сравнению с 42 дней для клеток крови, способность производить в больших количествах, производственный процесс, которые могут снизить риск инфекционных агентов, снижение зависимости от поставки донорской крови и альтернативой для пациентов, которые не будут принимать переливание эритроцитов.
ПФУ до сих пор не был лицензирован Национальным агентством по санитарному надзору для использования в Бразилии. В Соединенных Штатах, в пищевых продуктах и медикаментах прекратил использование.
Заключение
Риски, связанные с переливанием крови были хорошо описаны в литературе. Искусственные переносчики кислорода на шаг ближе к тому, чтобы клинически использоваться в организме человека. Независимо от того, доступны ли для рутинного клинического использования искусственные переносчики кислорода, необходимы дальнейшие исследования, чтобы показать безопасность и эффективность этих веществ для клинической практики.
Перечень ссылок:
1. Brunskill S, Prowse C, Garrioch M, et al. Blood substitutes for avoiding allogeneic blood transfusion. The Cochrane Library.
2. Henkel-Honke T, Oleck M. Artificial oxygen carriers: a current review. AANA J. 2007;75(3):205-11.
3. Amberson WR, Jennings JJ, Rhode CM. Clinical experience with hemoglobin-saline solutions. J Appl Physiol. 1949;1(7):469-89.
4. Nouwairi NS. The risks of blood transfusions and the shortage of supply leads to the quest for blood substitutes. AANA J. 2004;72(5):359-64
5. Creteur J, Vincent JL. Hemoglobin solutions. Crit Care Med. 2003;31(12 Suppl):S698-707.
6. Jahr JS, Walker V, Manoochehri K. Blood substitutes as pharmacotherapies in clinical practice. Curr Opin Anaesthesiol. 2007;20(4):325-30.
7. Pape A, Habler O. Alternatives to allogeneic blood transfusions. Best Pract Res Clin Anaesthesiol. 2007;21(2):221-39.
8. Messmer KF. Acceptable hematocrit levels in surgical patients. World J Surg. 1987;11(1):41-6.
9. Spahn DR, Casutt M. Eliminating blood transfusions: new aspects and perspectives. Anesthesiology. 2000;93(1):242-55.
10. Habler OP, Messmer KF. The physiology of oxygen transport. Transfus Sci. 1997;18(3):425-35.
11. Cain SM. Oxygen delivery and uptake in dogs during anemic and hypoxic hypoxia. J Appl Physiol. 1977;42(2):228-34.
12. Carson JL, Duff A, Poses RM, et al. Effect of anaemia and cardiovascular disease on surgical mortality and morbidity. Lancet. 1996;348(9034):1055-60
Переносчик кислорода в ткани
В сложных механизмах транспорта газов кровью и газообмена в тканях важная роль отводится эритроцитам, ответственным за доставку О2 к различным органам и удаление образующегося в процессе метаболизма СО2.
Эритроцит – безъядерная клетка, лишенная митохондрий, основным источником энергии для эритроцита служит глюкоза, метаболизируемая в гексозомонофосфатном шунте или цикле Эмбдена-Мейергофа. Транспорт О2 обеспечивается в значительной мере гемоглобином, состоящим из белка глобина и гема. Последний представляет собой комплексное соединение железа и порфирина. Глобин представляет собой тетрамер полипептидной цепи. Hb A (HbA) – основной гемоглобин взрослых содержит 2 – альфа и 2 – бета – цепи, Hb A2 – содержит две альфа и две дельта цепи.
Читайте также: Ножницы для распорки ткани
Гем состоит из иона железа, встроенного в порфириновое кольцо. Ион железа гема обратимо связывает одну молекулу О2. С одной молекулой Hb максимально связываются 4 молекулы О2 с образованием оксигемоглобина.
Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истинному окислению, когда железо становится из двухвалентного трехвалентным. Окисленный гем носит название гематина, а молекула гемоглобина становится метгемоглобином. В крови человека метгемоглобин находится в незначительных количествах, его уровень резко возрастает при отравлениях. Метгемоглобин не способен отдавать кислород тканям.
В норме метгемоглобин составляет менее 3% общего Hb крови. Основная форма транспорта О2 – в виде оксигемоглобина. Кислород транспортируется артериальной кровью не только в связи с гемоглобином, но и в растворенном виде. Принимая во внимание тот факт, что 1 г Hb может связать 1,34 мл О2, кислородная емкость крови в среднем у взрослого человека составляет около 200 мл/л крови. Одним из показателей кислородного транспорта является насыщение артериальной крови О2(Sa O2), равного отношению О2, связанного с Hb, к кислородной емкости крови:
SaO2=O2, связанного с Hb/O2 емкость крови* 100%.
В соответствии с кривой диссоциации оксигемоглобина насыщение артериальной крови кислородом в среднем составляет 97%, в венозной крови – 75%.
PaO2 в артериальной крови около 100 мм. рт. ст., а в венозной – около 40 мм. рт. ст.
Количество растворенного кислорода в крови пропорционально парциальному давлению О2 и коэффициэнту его растворимости.
Последний для О2 составляет 0,0031/100 мл крови/ 1 мм. рт. ст.. Таким образом, 100 мл крови при PaO2, равном 100 мм. рт. ст., содержит менее 0,31 мл O2.
Диссоциация оксигемоглобина в тканях обусловлена главным образом химическими свойствами гемоглобина, а также рядом других факторов – температурой тела, рН среды, р СО2.
При понижении температуры тела наклон кривой диссоциации оксигемоглобина возрастает, а при ее повышении – снижается, и соответственно снижается сродство Hb к О2.
При снижении рН, т.е. при закислении среды, сродство гемоглобина к О2 уменьшается. Увеличение напряжения в крови СО2 также сопровождается снижением сродства Hb к О2 и уплощением кривой диссоциации оксигемоглобина.
Известно, что степень диссоциации оксигемоглобина определяется содержанием в эритроцитах некоторых фосфорорганических соединений, главным из которых является 2,3 – ДФГ (2,3 дифосфоглицерат), а также содержанием в эритроцитах катионов. В случаях развития алкалозов, поглощение О2 в легких увеличивается, но в то же время затрудняется отдача кислорода тканями. При ацидозах наблюдается обратная картина.
4.2.Утилизация кислорода тканями
Тканевое или клеточное дыхание включает три стадии. На первой стадии пируват, аминокислоты и жирные кислоты окисляются до двухуглеродных фрагментов ацетильных групп, входящих в состав ацетилкофермента А. Последние на втором этапе окисления включаются в цикл лимонной кислоты, где происходит образование высокоэнергетических атомов водорода и высвобождение СО2 – конечного продукта окисления органических субстратов. На третьей стадии клеточного дыхания атомы водорода делятся на протоны (Н+) и «высокоэнергетические» электроны, передающиеся по дыхательной цепи на молекулярный О2 и восстанавливающие его до НО2. Перенос электронов сопряжен с запасом энергии в форме АТФ, т.е. с окислительным фосфорилированием (рис.6).
Касаясь патогенеза метаболических сдвигов, свойственных гипоксическим состояниям, следует отметить, что в организме человека более 90% всего потребляемого кислорода восстанавливается с участием цитохромоксидазы митохондрий, и лишь около 10% кислорода метаболизируется в тканях с участием оксигеназ: диоксигеназы и монооксигеназы.
Рис.6. Схема тканевого дыхания. Конечные продукты каждой стадии даны в рамке (Ленинджер А., 1999)
Наиболее многочисленны и сложны монооксигеназные реакции, протекающие в эндоплазматическом ретикулуме клеток при участии цитохрома Р-450 и обеспечивающие гидроксилирование субстрата (стероидных гормонов, лекарственных препаратов и различных др. соединений) и, как правило, его инактивацию.
Диоксигеназы катализируют реакции, в которых в молекулу органического субстрата включаются оба атома молекулы кислорода (например, реакция окисления катехола молекулярным кислородом с раскрытием кольца).
В реакциях, связанных с переносом электронов, т.е. в реакциях окисления-восстановления, где, как указывалось выше, используется более 90% потребляемого кислорода, атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в цикле лимонной кислоты, передают свои электроны в цепь переноса электронов и превращаются также в Н +. Как известно, помимо 4 пар атомов водорода, поставляемых каждым оборотом цикла лимонной кислоты, образуются и другие атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от пирувата, жирных кислот и аминокислот в процессе их расщепления до Ацетил-СоА и других продуктов.
Читайте также: Как удалить липкий слой от скотча с ткани
Таким образом, все атомы водорода, отщепляемые дегидрогеназами от субстратов, передают свои электроны в дыхательную цепь к конечному акцептору электронов – кислороду.
Касаясь последовательности транспорта электронов в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих на внутренней мембране митохондрий, прежде всего, следует отметить, что от всех НАД – зависимых реакций дегидрирования восстановленные эквиваленты переходят к митохондриальной НАДН – дегидрогеназе, затем через ряд железосерных ферментов передаются на убихинон М цитохрому b. Далее электроны переходят последовательно на цитохромы С1 и С, затем на цитохромы аа 3 (цитохромоксидазу – медьсодержащий фермент). В свою очередь цитохромоксидаза передает электроны на кислород. Для того, чтобы полностью восстановить кислород с образованием 2-х молекул воды требуется 4 электрона и четыре Н+ .
Скорость утилизации О2 в различных тканях различна. В среднем взрослый человек потребляет 250 мл О2 в 1 мин. Максимальное извлечение О2 из притекающей артериальной крови свойственно миокарду.
Кислород используется в клетках, в основном в метаболизме белков, жиров, углеводов, ксенобиотиков, в окислительно-восстановительных реакциях в различных субклеточных фракциях: в митохондриях, в эндоплазматическом ретикулуме, в реакциях липопероксидации, а также в межклеточном матриксе и в биологических жидкостях.
Коэффициент утилизации О2 в тканях равен отношению потребления О2 к интенсивности его доставки, широко варьирует в различных органах и тканях.
В условиях нормы минимальную потребность в О2 проявляют почки и селезенка, а максимальную потребность – кора головного мозга, миокард и скелетные мышцы, где коэффициент утилизации О2 колеблется от 0,4 до 0,6, а в миокарде до 0,7. При крайне интенсивной физической работе коэффициент утилизации О2 мышцами и миокардом может возрастать до 0,9.
Обмен дыхательных газов в тканях происходит в процессе свободной и облегченной диффузии. При этом О2 переносится по градиенту напряжения газа из эритроцитов и плазмы крови в окружающие ткани.
Одновременно происходит диффузия СО2 из тканей в кровь. На выход О2 из крови в ткани влияет диссоциация оксигемоглобина в эритроцитах, что обеспечивает так называемую облегченную диффузию О2. Интенсивность диффузионного потока О2 и СО2 определяется градиентом их напряжения между кровью и тканями, а также площадью газообмена, плотностью капилляров, распределением кровотока в микроциркуляторном русле. Интенсивность окислительных процессов в тканях определяется величиной критического напряжения О2 в митохондриях, которое в условиях нормы должно превосходить 0,1-1 мм рт. ст.
Соответствие доставки О2 к органам и тканям, возросшим потребностям в оксигенации обеспечивается на клеточном, органном уровнях за счет образования метаболитов изнашивания, а также при участии нервных, гормональных и гуморальных влияний.
Основная масса углекислого газа (СО2) образуется в организме как конечный продукт различных метаболических реакций и транспортируется к легким с кровью. Вдыхаемый воздух содержит лишь незначительное количество СО2.
Транспорт СО2 кровью осуществляется в 3-х состояниях: в виде аниона бикарбоната, в растворенной форме и в виде карбаминовых соединений.
СО2 хорошо растворяется в плазме крови и в артериальной крови, около 5% от общей двуокиси углерода содержится в крови в растворенной форме.
Анион бикарбоната составляет около 90% от общего содержания СО2 в артериальной крови: СО2+Н2О — Н++НСО-3.
Эта реакция медленно протекает в плазме крови, но чрезвычайно интенсивно происходит в эритроцитах при участии фермента карбоангидразы. Мембрана эритроцита относительно непроницаема для Н+, как и вообще для катионов, но в тоже время, проницаема для ионов НСО-3, выход которых из эритроцитов в плазму обеспечивается притоком Cl- из плазмы в эритроциты. Часть Н+ забуферивается гемоглобином с образованием восстановленного гемоглобина.
Третьей формой транспорта СО2 кровью являются карбаминовые соединения, образованные взаимодействием СО2 с концевыми группами белков крови преимущественно с гемоглобином:
Hb NH2 + CO2 — Hb NH COOH > Hb NH COO + Н+
Карбаминовые соединения составляют около 5% от общего количества СО2, транспортируемого кровью.
В оксигенированной артериальной крови напряжение СО2 составляет 40 мм. рт. ст., а в венозной крови Рv СО2 равно 46 мм. рт. ст.
4.4.Связывание гемоглобина с окисью углерода
Угарный газ (СО) – окись углерода обладает значительно большим сродством к гемоглобину, чем О2, с последующим образованием карбоксигемоглобина. СО входит в состав бытового газа, а также выделяется при работе двигателей внутреннего сгорания. При концентрации СО во вдыхаемом воздухе всего в количестве 7*10- 4 около 50% гемоглобина превращается в карбоксигемоглобин. В норме в крови содержится около 1% HbCO, у курильщиков – 3% . В крови водителей такси концентрация карбоксигемоглобина достигает 20%. Карбоксигемоглобин диссоциирует с отдачей О2 в 200 раз медленней оксигемоглобина и в то же время препятствует его диссоциации в тканях.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом