Ежегодно по всему миру собирается более 112, 5 миллионов донорских крови, но большинство из них не пригодны для некоторых наиболее нуждающихся пациентов.
Связанный контент
- Робот может однажды взять твою кровь
- Первый в истории банк крови был открыт 80 лет назад
Переливание крови должно соответствовать типу крови донора и крови реципиента; в противном случае иммунная система получателя может атаковать инородную кровь, вызывая тяжелые заболевания. Сегодня ученые на 256-м Национальном собрании и экспозиции Американского химического общества сообщают об обещаниях новых шагов к взлому этой системы, используя бактериальные ферменты, полученные из кишечного микробиома, для преобразования рестриктивных групп крови в более универсальную кровь.
Существует четыре основных типа крови: кровь AB, A, B и O, отличающаяся тем, что эритроциты сахара несут на своей поверхности, называемые антигенами.
AB - эгоистичный накопитель группы, несущий как антиген A, так и антиген B. При всей своей кровопролитии кровь АБ может быть перелита только другим людям с группой крови АБ, но люди, у которых кровь АБ, являются универсальными реципиентами. Группы крови A и B несут только один из двух антигенов, соответственно, и люди с такими группами крови могут получать только кровь, которая не содержит другой сахар.
О кровь, с другой стороны, это голый мученик, которому не хватает сахара, который украшает его братьев. Его сравнительно бесплодное состояние делает его благоприятным для присутствия почти во всех иммунных средах, и кровь типа O - универсальный донор группы - пользуется постоянным спросом.
Чтобы удовлетворить непропорциональную потребность в универсальной крови, банки и центры донорства постоянно ищут этих желательных доноров. Но даже несмотря на то, что около 40 процентов населения относится к типу О, запасы, похоже, всегда отстают, отчасти потому, что запасенная кровь имеет относительно короткий срок годности. В последние годы ученые начали экспериментировать с генерированием типа O в лаборатории - либо синтезируя эритроциты с нуля, либо отрывая оскорбительные сахара от крови AB, A и B.
В прошлом году группа исследователей во главе с Яном Фрэйном добилась огромных успехов с прежней стратегией, заразив линию предшественников эритроцитов раковыми генами, чтобы спровоцировать их на пополнение до бесконечности . Тем не менее, этот метод далек от внедрения в клинику: синтетические клетки еще не прошли полную проверку на безопасность, и стоимость заполнения всего одного пакета крови этими аналогами остается астрономической.
С другой стороны, преобразование групп крови было работой в течение десятилетий. Эта стратегия особенно привлекательна, потому что она может создать более универсальную кровь, предотвращая бесполезные пожертвования от потери.
В 1982 году группа исследователей сделала первые многообещающие шаги в искусственном преобразовании групп крови. Используя фермент, выделенный из необжаренных зеленых кофейных зерен, они отщепляли антигены В от эритроцитов, эффективно создавая кровь типа О, которая могла быть перелита пациентам-людям. Но фермент кофе имел свои недостатки. С одной стороны, это было придирчиво, требуя очень специфического набора условий для работы - что означало пропустить кровь через рингер, прежде чем ее можно будет использовать. Даже когда экспериментальная установка была именно такой, фермент был вялым и неэффективным, и исследователи должны были использовать его, чтобы увидеть эффект.
Тем не менее, обнаружение фермента кофе сигнализировало остальному миру, что преобразование крови возможно, и, что более важно, необходимые инструменты, вероятно, уже существуют в природе.
К началу 2000-х годов начала цениться огромное разнообразие ферментов в бактериальном царстве, и исследователи начали обращаться к микробам для удовлетворения своих потребностей в нарезке сахара. В 2007 году исследователи сообщили об обнаружении двух бактериальных ферментов, которые в комбинации способны расщеплять сахара в крови как в клетках крови, так и в сахаре. Фермент, который отщеплял антигены В от крови, был в тысячу раз эффективнее, чем кофейный фермент 35 лет назад. Но фермент, нацеленный на антиген A, давал несколько более отрезвляющие результаты, требуя слишком высокой дозы фермента для практического применения.
С тех пор несколько групп исследователей пытались использовать силу микробов для «несладкой» крови. Но несколько лет назад Питер Рахфельд и Стивен Уизерс, биохимики из Университета Британской Колумбии, решили обратиться к еще не раскрытому ресурсу: кишечной микробиоте - кишащему сообществу трудолюбивых микробов, которые живут в кишечнике человека.
Как выясняется, «кишечные микробы являются профессионалами в расщеплении сахара», по словам Кэтрин Нг, которая изучает кишечный микробиом в Стэнфордском университете, но не участвовала в этой работе. Белки, зашнурованные сахаром, выстилают стенку кишечника - и некоторые из этих сложных сахаров напоминают те же антигены А и В, что и в клетках крови. Более того, многие кишечные микробы собирают эти сахара, срывая их с кишечной оболочки.
«Я был взволнован, когда узнал об этом - [это означало, что мы могли бы] использовать микробы для поиска новых [инструментов]», - говорит Рахфельд. «Они все уже в наших силах, просто ждут, когда к ним обратятся. Там такой большой потенциал ».
До сих пор большая часть охоты за новыми машинами для преобразования крови заключалась в тщательном тестировании известных бактериальных ферментов один за другим. Многие члены кишечной микробиоты теперь могут выращиваться в лабораторных условиях, но не все. Чтобы охватить весь потенциал бактериальных ферментов в кишечнике, Рахфельд и Уизерс выбрали метод, называемый метагеномикой.
С помощью метагеномики ученые могут объединить сообщество микробов, таких как те, которые содержатся в фекальной пробе, и просто изучать ДНК в массе . Даже если бактерии не выживают хорошо вне человеческого тела, их ДНК намного более устойчива, и все же может дать исследователям представление о том, какие ферменты способен вырабатывать каждый микроб. «[Метагеномика] способ получить снимок всей ДНК [в кишечнике человека] в один момент времени», объясняет Рахфельд.
После выделения бактериальных геномов из фекалий человека Рахфельд и его коллеги разбили ДНК на маленькие кусочки и поместили их в E.coli, распространенный штамм бактерий, с которыми легко манипулировать для экспрессии чужеродных генов, таких как те, которые кодируют ферменты. Исследователи проверили около 20 000 различных фрагментов генетического материала против простых сахарных прокси, имитирующих антигены А и В; Кандидаты, прошедшие этот первый этап скрининга, затем подвергались воздействию более сложных аналогов, которые лучше напоминали кровь человека.
В конце концов, команда осталась с 11 возможными ферментами, которые были активны против антигена А, и одним против антигена В, включая один чрезвычайно многообещающий фермент, который был в 30 раз более эффективен против антигена А, чем тот, который был обнаружен в 2007 году. Обнадеживающе, новый фермент был работником, не требующим технического обслуживания, способным работать при различных температурах и концентрациях соли - это означало, что клетки крови могли превращаться без ущерба для добавок.
Когда исследователи в следующий раз протестировали свой мощный новый фермент против настоящей человеческой крови типа А, результаты были такими же, и для очистки крови от оскорбительных сахаров требовалось лишь небольшое количество белка. Кроме того, исследователи были взволнованы, обнаружив, что они могут объединить свой новый фермент, активный против крови типа А, с ранее обнаруженными ферментами, которые отщепляют антигены В. Объединив десятилетия работы, команда получила инструменты для эффективного преобразования крови AB, A и B в общепринятые O.
«Это сработало великолепно», - говорит Джей Кижаккедатху, профессор химии в Центре исследований крови Университета Британской Колумбии, который сотрудничает с Рахфельдом и Уизерсом в их исследованиях.
Исследователи сейчас тестируют свои ферменты в более широком масштабе. В будущем Уизерс планирует использовать генетические инструменты, чтобы возродить свой новый фермент, чтобы еще больше увеличить его мощность тримминга. В конце концов, команда надеется, что такая технология преобразования крови может стать опорой в больницах, где потребность в крови типа О всегда острая.
По словам Зури Салливана, иммунолога из Йельского университета, который не принимал участия в исследовании, даже при таких многообещающих результатах обнаруженные к настоящему времени ферменты, преобразующие кровь, являются лишь верхушкой айсберга. Учитывая огромное разнообразие, обнаруженное в кишечных микробиомах разных людей, скрининг большего количества доноров и других бактериальных сообществ может дать еще более захватывающие результаты.
«Предпосылка здесь действительно мощная», - говорит Салливан. «Существует неиспользованный генетический ресурс в [генах], кодируемых кишечным микробиомом».
Конечно, безопасность остается главной задачей в будущем. Модификация человеческих клеток, даже с использованием природных ферментов, является сложным делом. До сих пор, как сообщают Рахфельд и Уизерс, было довольно тривиально отмывать ферменты после лечения, но исследователи должны быть уверены, что все следы их фермента удалены, прежде чем кровь можно будет перелить больному пациенту.
Это отчасти потому, что сахарные антигены появляются на бесчисленных клетках по всему телу, объясняет Джемила Каплан Кестер, микробиолог из Массачусетского технологического института. Хотя фермент в этом исследовании, по-видимому, довольно точно нацеливает антигены на клетки крови, всегда существует небольшая вероятность, что он может нанести какой-то ущерб, если небольшое количество проскользнет сквозь трещины. Кроме того, иммунная система реципиента может также реагировать на эти бактериальные ферменты, интерпретируя их как сигналы инфекционной атаки. Тем не менее, Кижаккедатху считает, что такой сценарий, вероятно, маловероятен, поскольку наши тела предположительно уже подвергаются воздействию этих ферментов в кишечнике.
«Даже с учетом всех этих соображений у нас может быть больше проблем, которые мы не можем предвидеть, - мы увидим их, когда на самом деле проведем анализ [крови в реальном теле]», - говорит Кестер. «Человеческое тело часто находит способы заставить [наши эксперименты] не работать».
Кроме того, наука о типировании крови выходит далеко за рамки антигенов А и В. Еще одно распространенное несоответствие возникает при рассмотрении резус-антигена. Наличие или отсутствие резус-фактора - это то, что делает чью-либо группу крови «положительной» или «отрицательной», соответственно, и только отрицательная кровь может попасть как положительным, так и отрицательным реципиентам.
Это означает, что, несмотря на силу системы Рахфельда и Уизерса, она не может каждый раз генерировать действительно универсальную кровь. А поскольку резус-антиген на самом деле является белком, а не сахаром, для создания наиболее широко распространенного универсального типа крови необходимо изучить совершенно другой набор ферментов: O-отрицательный.
Тем не менее, техника команды имеет огромный потенциал - и не только для клиники. Согласно Нг, лучшее понимание этих бактериальных ферментов может также пролить свет на сложные отношения между людьми и микробами, которые живут в нашем организме. По правде говоря, ученые до сих пор не до конца понимают, почему эти антигены присутствуют в клетках крови, а тем более - в слизистой оболочке кишечника. Но бактерии были причастны к этим знаниям на протяжении тысячелетий и развивались, чтобы использовать их в своих интересах, говорит Нг, и узнав больше об этих микробах, можно ответить на вопросы, которые люди еще не думали задавать.
В то же время, Уизерс просто рад видеть прогресс в любом направлении. «Всегда хорошо, когда все работает хорошо», - размышляет он со смехом. «Это дает вам надежду, что вы сделали настоящий скачок вперед».
