Вопросы иммортологии

В данной статье рассматривается функциональное описание еще одной составной части механизированной крови - искусственных тромбоцитов, выполненных с помощью нанотехнологий. Эти устройства могут обеспечить уникальную возможность - "быстродействующий гемостазис".

Структура и основные функции тромбоцитов хорошо известны. Тромбоцит это сфероидальная безъядерная клетка крови диаметром ~ 2 мкм с продолжительностью жизни в среднем 10 дней. В здоровой человеческой крови концентрация тромбоцитов составляет ~ 250000 клеток на мм³. Попадая в место кровотечения тромбоциты активируются, слипаются в комок и закупоривают кровеносный сосуд, останавливая кровотечение. Интересно, что было найдено несколько необычных способностей тромбоцитов - они способны к фагоцитозу как микропаразитов как и посторонних частиц вообще, могут медленно передвигаться по стенкам кровеносных сосудов, вытягивая ложноножки.

Полный функциональный дизайн искусственных тромбоцитов выходит за рамки данной статьи. Далее остановимся на чисто механических аспектах работы искусственного тромбогенеза.

Активация тромбоцитов - первичный гемостазис обычно протекает в трех фазах. Первая фаза представляет собой адгезию тромбоцитов, в которой тромбоциты

Вторичный гемостазис подразумевает расположение фибрина в месте кровотечения. Фибрин быстро формирует плотный "комок" из большого сплетения фибрилл. В эту "паутину" и попадают эритроциты, лейкоциты и тромбоциты. Полное время кровотечения варьируется от 2-5 минут до 7-9 минут. Через несколько часов фибриллы медленно заполняют весь объем тромба, наподобие спагетти в кипящей воде, формируя друг с другом нестабильные мономеры до тех пор, пока они не будут полностью связаны ковалентными дисульфидными связями с фактором XIIIа, образуя плотный тромб.

Искусственный тромбоцит, или клоттоцит, например, может обеспечить полный гемостазис в течение 1 секунды, даже при наличии обширных кровотечений. Это примерно в 100-1000 раз быстрее, чем скорость нормального человеческого гемостазиса. Клоттоцит представляет собой наноробота сферической формы (диаметром около 2 - 4 микрон) на протеиновой основе с оксиглюкозным источником энергии. Внутри клоттоцита содержится компактно свернутая волоконная масса. Согласно команды от бортового компьютера, устройство выталкивает волокна в непосредственной близости от места кровотечения, например, поврежденного капилляра. Отдельные части волокон, контактируя с водой, находящейся в кровяной плазме (комплементарной антигенам, присущим поверхностям эритроцитов), растворяются в ней, раскрываясь подобно рыболовной сети. Красные кровяные клетки попадают в искусственную сеть, образованную все большим и большим числом активирующихся клоттоцитов, и кровотечение останавливается.

Принимая lячейки ~1 микрон и сигмаволлокна ~ 1010 Н/м² (для сети из алмазоида), tволокна >~ 0.8 нм, получим для сети площадью Асет=0.1 мм² объем Vсети = 0.1 микрон³. Этот объем займет примерно 3% всего устройства. Используя вместо алмазоидных нитей биорастворимые органические нити на основе целлюлозы или шелка паука (сигмаволлокна = 109 Н/м²), получим, соответственно, что эти нити должны быть 2.5 нм толщиной и объем сети возрастет на 130%, занимая теперь 30% всего устройства (расчеты велись исходя из той же площади сети). Количество энергии в секунду, необходимой для выброса сети в плазму, рассчитанное на основе закона Стокса для жидкостей, составит 100 пВт в сек, принимая вязкость крови при нормальном 45% гематокрите.

Как много клоттоцитов необходимо для остановки кровотечения за tстоп=1 секунду? Их количество зависит от скорости капиллярного кровотечения vкап. Пусть nклотт - объемная концентрация роботов, необходимых для этого, nсетей - количество слоев, образованных перекрытыми друг другом сетями. Тогда nклотт~ nсетей/( Асетtстоп vкап). Принимая nсетей = 2 и vкап = 1 мм/сек получим nклотт = 20 мм^-3 или 110 миллионов клоттоцитов во всем объеме человеческой крови. Полностью раскрытые сети покроют площадь 11 м².

Приведем некоторые интересные цифры. При ране длиной 1 см и глубиной 3 мм кровопотеря составит ~ 6 мм³, что составляет 1/10 одной кровяной капли! То есть участок однослойной сети площадью в 1мм² пропустит 1-2 эритроцита.

Как клоттоцит будет определять, когда следует выбрасывать связывающую сеть? Для этого у него будут встроенные сенсоры парциального давления газов. Как только первый клоттоцит будет выброшен кровотоком из раны на поверхность человеческого тела, сенсоры немедленно сообщат бортовому компьютеру о изменениях в парциальных давлениях газов и устройство передаст эту информацию соседям при помощи акустических импульсов. Остальные же роботы, при получении этой информации, немедленно активизируют сети.

Как и любая техника, клоттоцит тоже может отказать. Так, например, механизм цепной реакции выброса сетей клоттоцитов может спровоцировать лавинообразное срабатывание механизмов по всему телу, вызывая моментальную коагуляцию крови, так называемую глобальную внутрисосудистую коагуляцию (ГВК). Но ГВК может быть инициирован не только искусственно. Известны разнообразные болезни, при которых концентрация тромбина в крови нарастает и кровь сворачивается. Нанороботы должны предупреждать возникновение ГВК, обусловленное и естественными факторами. В человеческом кровотоке ГВК ингибируется как местной локализацией (наличие фермента тромбина только возле места кровотечения), так и соответствующими ферментами (антитромбин III - потенциальный ингибитор). Клоттоциты же должны быть обеспечены сенсорами для обнаружения возрастающего уровня тромбина, фибриногена, плазминогена, альфа2 - антиплазмина, антитромбина III, фактора VII и протеина С для устранения ГВК. Если условия ГВК нарастают, нанороботы будут активно поглощать тромбин, либо использовать один из его ингибиторов.

При внешних ранениях в кровоток часто попадают инородные объекты, такие как бактерии, твердые частицы и т.п. Останавливая кровотечение, клоттоциты, видимо, должны выполнять функцию очистителей, что подразумевает усложнение их программы и конструкции. Возможно так же привлечение с помощью акустических сигналов других видов нанороботов (напр. нанофагоцитов) для эффективной очистки крови от внешнего вторжения, что подразумевает наличие протоколов навигационной системы in vivo.

Будут ли клоттоциты действительно инертны по отношению к кровеносной системе? Будут ли они совместимы с ней? Будут ли они взаимодействовать с клетками крови? Ответы на эти вопросы даст только более подробная их разработка. Действительно, используя в качестве внешней оболочки клоттоцитов белки, содержащиеся в мембранах эритроцитов или других клеток, роботы не будут подвергаться атакам фагоцитов и гранулоцитов. Сети роботов должны быть также неиммунногенны и полностью растворяться энзимами фагоцитов, когда кровотечение будет остановлено. Рассмотренная конструкция, выполненная из алмазоида, будет биологически инертна. Разработка материалов для нитей требует дальнейших изысканий.

Логично, что этот тип нанороботов будет использоваться совместно с другими, нами рассмотренными. В целом все типы нанороботов составят общую искусственную кровеносную систему.

Клоттоциты: искусственные механические тромбоциты.