В погоню за кровью

Созданы частицы, имитирующие поведение эритроцитов – красных кровяных телец – в крови человека. Кроме перспектив создания искусственной крови, которая существенно облегчила бы врачам процедуру переливания крови, это достижение может помочь и в терапевтическом лечении рака. Искусственные частицы можно снабдить лекарственным препаратом и «встроить» в кровоток раковых клеток, повысив эффективность доставки лекарства к злокачественным образованиям.

Большинство из нас слышали о том, что при переливании крови медики учитывают резус-фактор пациента и его группу крови, эти признаки являются врожденными, поэтому обладателям «редкой» крови тяжело найти донора. Однако не многие знают, что традиционная группа крови и резус-фактор далеко не являются полной характеристикой крови каждого отдельного человека. Всего на сегодняшний день открыто более 15 систем групп крови, определяющих ее уникальность. Носителями этих свойств являются особые вещества – антигены, находящиеся на поверхности эритроцитов – красных кровяных телец, которые обеспечивают цвет крови. Они же переносят в нашем организме кислород и отводят выработанный углекислый газ.

Американским ученым удалось создать частицы, имитирующие ключевые механические свойства красных кровяных телец. Таким образом, медики прошли еще один шаг на пути к созданию синтетической крови.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, посвящено созданию синтетических эритроцитов и их использованию в лечении тяжелых заболеваний, в том числе рака.

Основной функцией эритроцитов является перенос кислорода из легких к тканям тела и транспорт диоксида углерода (CO₂) в обратном направлении. Кроме участия в процессе дыхания они участвуют в регулировке кислотно-щелочного баланса, поглощают из плазмы крови аминокислоты, липиды и переносят их к тканям.

У млекопитающих зрелые эритроциты лишены ядер, внутренних мембран и большинства «внутренних органов» (их называют органеллами), присущих обычным клеткам. Обычно эритроциты млекопитающих имеют форму двояковогнутого диска и содержат в основном дыхательный пигмент гемоглобин, обусловливающий красный цвет крови. Антигены поверхности эритроцитов определяют группу крови человека, резус-фактор и другие факторы систем групп крови (их известно более 15). При переливании несочетаемых групп крови существует опасность склеивания или разрушения эриритроцитов, обусловленная антигенами.

Исследователи Университета Северной Каролины использовали специальную технологию «изготовления» эритроцитов PRINT (Particle Replication in Non-wetting Templates – репликация частиц на несмачивающихся шаблонах), которая позволила создать очень мягкие частицы гидрогеля, повторяющие размер, форму и степень гибкости эритроцитов.

Эти частицы успешно циркулировали в крови вместе с «родными» эритроцитами в течение долгого промежутка времени.

Специальный материал, из которого состоит полученный гидрогель, позволяет варьировать вязкость и плотность системы. Технология PRINT, разработанная в лаборатории одного из руководителей работы профессора Джозефа де Симоне, «штампует» наночастицы заданного размера, формы и химического состава. Используя эти разработки, биологи «отлили» из гидрогеля диски, имитирующие эритроциты (каждый – около 5 мкм в диаметре).

Для выяснения необходимого уровня вязкости материала частиц ученые проводили эксперименты по циркуляции частиц в крови на мышах. Самые гибкие частицы, как оказалось, оставались в крови без существенного отфильтровывания органами в 30 раз дольше, чем самые жесткие: период полувыведения для них составлял 93.29 против 2.88 часов соответственно. Кроме того, они выводились из организма разными способами: твердые частицы оседали в легких, а мягкие удалялись через селезенку – именно там, где удалятся настоящие эритроциты. Таким образом, «искусственные клетки» частично прошли биологическую проверку – испытание на живых организмах. Ранее «синтетическая кровь» воспроизводила лишь химическое поведение настоящей.

Ученые подчеркивают, что пока удалось воспроизвести лишь механические свойства эритроцитов.

Их «не научили» переносить кислород или лекарства.

Однако воспроизведение степени гибкости частиц – важная веха в создании искусственных клеток. Дело в том, что механические свойства эритроцитов принципиально важны для успешного выполнения их функций в организме. Именно гибкость позволяет им проникать в микроскопические поры и сосуды. Форма двояковогнутого диска и способность к деформации обеспечивает прохождение эритроцитов через узкие просветы капилляров. В капиллярах они движутся со скоростью 2 сантиметра в минуту, что дает им время передать кислород от гемоглобина к миоглобину. Миоглобин действует как посредник, принимая кислород у гемоглобина в крови и передавая его мышечным клеткам. В течение 120-дневного жизненного цикла естественные эритроциты постепенно теряют способность к деформации и в конце концов отфильтровываются из системы кровообращения, так как теряют способность проходить в узкие сосуды. Все предыдущие попытки создания искусственных эритроцитов были малоуспешными – искусственные образования очень быстро фильтровались системой как недостаточно гибкие.

Варьирование степени твердости-мягкости искусственных кровяных клеток открывает новые возможности для лечения рака. Дело в том, что раковые клетки мягче здоровых клеток, поэтому они легче проникают через поры мембран, распространяя заболевание.

Если частицы-переносчики лекарства будут такими же мягкими, они смогут дольше циркулировать в кровеносной системе и более качественно доставлять лекарство к вредоносным клеткам.

«Создание частиц, способных долгое время циркулировать в кровеносной системе, изначально было одной из основных целей работ по направленной доставке лекарств. Достижение хорошей способности к деформации у искусственных частиц – это еще не конец пути, есть и другие жизненно необходимые свойства, но мы уверены, что наша работа способна изменить будущее наномедицины», – подытожил профессор де Симоне.