Перфторуглероды: исследования и клиническое применение (материалы международного конгресса "Медицинское образование в условиях глобализации рынка труда" - Алматы, 2013 г.)

Опубликовано: Материалы международного конгресса «Медицинское образование в условиях глобализации рынка труда». Алматы, 2013г., стр 265-269
УДК: 615.38.03:617-005.1(035)
Чурсин В.В., Муздубаева Б.Т.,
 
Перфторуглероды: исследования и клиническое применение.
 
Кафедра анестезиологии и реаниматологии с курсом детской хирургии Алматинского государственного института усовершенствования врачей.

Каждую секунду кто-то в мире нуждается в гемотрансфузии, но многие пациенты не имеют доступа к ней, когда она остро необходима. Однако применение крови или ее компонентов сопряжено с целым рядом проблем, особенно  при необходимости экстренной коррекции массивной кровопотери: риск заражения гепатитом или ВИЧ-инфекцией, необходимость затраты времени на определение группы крови или заболевания крови, а также условия хранения и стоимость [1].

История кислородотерапии началась в 17 веке, показав эффективность при многих заболеваниях, и с тех пор ведется поиск веществ, способных улучшать оксигенацию. Многие вещества были тестированы в опытах на животных, некоторые одобрены для применения в клинической практике. Эффективные и безопасные искусственные переносчики кислорода (ИПК) могут быть полезными  в госпиталях, экстренных службах, банках крови и операционных [2]. Необходимость в них наиболее острая в странах, где доступность медицинской помощи и трансфузионный сервис низкие. Поэтому поиск кровезаменителей продолжается и актуален. В связи с этим фторуглеродные смеси давно привлекают внимание исследователей разных стран как транспортная среда для O₂ и СО₂,  поскольку обладают высоким сродством к ним. Они все шире используются в таких странах как США, Япония, Россия, Великобритания. Несмотря на эффективность, некоторые фторуглероды не применяются из-за вторичных побочных эффектов, например Флюозол.

Идеальный ИПК должен быть широко доступен, недорог, нетоксичен, эффективен в транспортировке и доставке кислорода, совместим с другими компонентами крови, легко храним и транспортируем, при этом срок годности должен быть, по меньшей мере, 1 год. К тому же, ИПК должен быть непатогенен, свободен от вирусов и бактерий. Предпочтительно ИПК должен иметь продленное время циркуляции [3]. Но, до сих пор не найден идеальный переносчик кислорода [4]. На данный момент имеется 2 типа ИПК, в зависимости от типа переноса кислорода: гемоглобин-модифицированные переносчики кислорода, в которых кислород связывается с коньюгированным гемоглобином и перфторуглеродные переносчики кислорода, в которых кислород растворяется физически.

Основное различие между этими двумя типами ИПК – это молекулярная структура, механизм связывания и освобождения кислорода и углекислоты, параметры и транспортные механизмы, природа материалов,  производственный процесс и стоимость [4].
Первый представитель модифицированных гемоглобинов – это раствор рекомбинантного гемоглобина. Однако результаты использования были неудовлетворительными: быстрая элиминация, высокое сродство к кислороду, токсичность, вызванная наличием стромы [5]. Токсические эффекты проявляются в виде брадикардии, вазоактивных реакций, гастроинтестинальной диспепсии, панкреатотоксичности. Несмотря на все попытки, модифицированный гемоглобин не нашел широкого применения в клинической практике [6].

Эмульсии перфторуглеродов (ПФУ) продемонстрировали обещающие результаты как переносчики кислорода благодаря своей инертности и высокой растворимости кислорода и двуокиси углерода. Поскольку перфторуглероды не смешиваются  с водой, они эмульгируются при внутривенном введении. Они могут производиться в большом количестве, даже несмотря на дороговизну составляющих материалов массовая продукция может быть эффективной по стоимости. Это оправдывает себя в развивающихся странах, где стоимость крови намного дороже, условия хранения и транспортировки крови неадекватные, а также инфекции, передающиеся с кровью, имеют широкое распространение [7]. С 1970 годов, экстенсивные исследования (начиная с in vitro и заканчивая трех фазными исследованиями на людях) продемонстрировали способность перфторуглеродов переносить кислород и доставлять его к тканям. Однако, ни один из препаратов не нашел клинического применения благодаря проблемам с условиями хранения, производству и клиническим эволютивным сложностям. 

Обзор данных наиболее значимых исследований в научной литературе и данных по применению перфторуглеродов в медицинской практике.
В 1966 году Кларк и Голлан продемонстрировали, что мышь может жить, вдыхая жидкость, обогащенную кислородом. В следующем году Словитер и Камимото произвели первый препарат - эмульсию физиологически сходную с перфторуглеродами, которую можно вводить интраваскулярно. Гейер представил первый эксперимент на крови, где перфторуглерод (полоксамер-стабилизированный перфтортрибуталамин) выполняет функцию переносчиков кислорода, замещая красные кровяные тельца крыс. Эмульсия поддерживала жизнь крыс в течении 8 часов. Перфлюородекалин привлек большее внимание научного сообщества, поскольку элиминировался через неделю после введения. Трудность с этим препаратом возникала из-за нестабильности его как эмульсии.

Первое поколение ПФУ. (Флюзол, флюозол-DA,- общество зеленого креста, Осака, Япония, и Альфа-терапия, Лос Анджелес, США). Данная эмульсия хранилась в замороженном виде и размораживалась перед использованием.

Доклинические исследования.
Несколько тестов  на животных проводились между 1970 и 1996 годами. При повреждениях легких Флюзол снижал острое воспаление легких после аспирации кислого содержимого желудка [8]. При внутривенном использовании в дозе 20-500 мл не выявлялось побочных реакций на гемодинамику, сердце, печень, почки, гематологические функции [9]. В 2 и 3-х фазных исследованиях у пациентов с кровотечением, церебральной гипоксией, отравлением угарным газом флюозол использовался в дозе 500-1500 мл. Авторы рекомендовали использовать флюозол при кровотечениях, экстренной трансфузии, церебральной ишемии и отравлении угарным газом. Флюозол также назначался у больных с критической анемией и острой кровопотерей. После инфузии не было обнаружено изменений в  уровне экстракции кислорода, сердечном индексе или артериальном давлении. Было сделано заключение о том, что количество Флюозола недостаточно для того, чтобы достичь желаемого эффекта и,  исходя из этого, препарат не был одобрен  как заменитель эритроцитов.
При тяжелой анемии у пациентов, которые получали одновременно Флюозол и увлажненный кислород, значительно повышался уровень парциального напряжения кислорода в венозной крови, сатурация гемоглобина. Это исследование показало, что Флюозол способен осуществлять доставку кислорода при высоком напряжении последнего. Другими словами Флюозол являлся «расширителем» емкости плазмы. Повышение доставки кислорода не было длительным из-за быстрой элиминации препарата.

В клинической практике при ангиопластике оксигенированный фоюозол применялся для префузии коронарной артерии ниже баллона. При этом происходило улучшение оксигенации миокарда и предотвращение снижения функции желудочка, хотя продукция лактата оставалась на прежнем уровне [10]. После этого флюозол был одобрен в США, Японии и Европе в 1989-1990 для клинического применения как переносчик кислорода при чрезкожной транслюминальной коронарной  баллонной ангипластике [11]. Однако позже он перестал выпускаться.

Основные проблемы и ограничения в применении этого ПФУ связаны с нестабильностью препарата, что требуют особых условий - эмульсия должна быть заморожена для хранения и транспортировки, а также упакована для каждого использования в очень специфичных условиях. Как переносчик кислорода он имеет небольшую эффективность, поскольку доставляет только 0,4 мл кислорода на 100 мл крови [12], возможно из-за низкого инраваскулярного присутствия и повышенной дилюции.

Плюроник F-68 - как компонент сурфактанта был ассоциирован с побочными эффектами, включающими активацию комплемента, подавление лейкоцитов, гемодиначескими эффектами [1], миалгия, лихорадка, снижение тромбоцитов [11], анафилактические реакции [14]. Эти характеристики привели к тому, что продукт не имел коммерческого успеха [15].
Флюозол был отклонен  комиссией FDA (Food  and Drug administration) в 1994 году из-за трудностей с условиями замораживания. Шума добавило то обстоятельство, что флюорокарбон обнаруживался в основном в легочной ткани даже год спустя после интравенозного применения [16]. Персистирование ПФУ возможно было причиной хронической тканевой реакцией, анемией, лейкоцитозом, лихорадкой, которые заканчивались  смертью в результате химического пневмонита.

Оксиферол (Флюозол–43, Общество зеленого креста и Альфа-терапия, Япония). Этот продукт был высоко  стабилизированной эмульсией, коммерчески приспособленной для многолетнего использования. Из-за чрезмерно длительного персистирования в органах, препарат не был рекомендован для применения у людей [17].

Доклинические исследования. Коагуляция и воспаление.
При моделировании на крысах, препарат показал хороший эффект как антикоагулянт и как противовоспалительный цитокин-продуцируемый агент.

Вазодилатация:
Положительно препятствовал вазодилатации, вызванной низкой кислородпереносящей емкостью сосудов, перфузируемого сердца Лангендорфа у крыс.

Изолированное сердце:
Оксиферол с лидокаином производил более эффективную защиту миокарда, которое удовлетворяло потребностям миокарда в кислороде во время длительной остановки сердца в изолированных сердцах у крыс. Ксенотрансплантация печени: Назначение Oксиферола продлевало выживаемость ксенотрансплантанта при использовании  модели гвинейской свиньи для пересадки печени у крыс. Хотя начало гиперострого отторжения было отсрочено, все крысы умерли.

Проблемы:
Оксиферол чрезмерно длительно персистирует в органах (у крыс примерно 2,5 года).

Перфторан (Фторозан). Характеристики: Перфторан был стабилен около месяца при температуре 4-8ºС. Он мог храниться при температуре 4-18ºС в течении 3-х лет и мог быть разморожен и снова заморожен 5 раз.

Доклинические исследования: Воздушная эмболия. 
Перфторан был использован в лечении сосудистой газовой эмболии  у крыс. Назначение перфторана после гликокаликсной дегидратации и перед газовой эмболизацией  способствовало  накоплению пузырьков в дистальных отделах микроциркуляции [18].
Ишемия. Системное назначение Перфторана после ишемии способствовало ранней и более полной структурной регенерации во время перфузии [19]. Воспаление брюшины. Внутривенное введение Перфторана повышало уровень макроглобулина, содержащегося в плазме и в перитонеальном экссудате у крыс с острым серозным перитонитом и было эффективно использовано для предотвращения развития послеоперационных спаек [20].
Синдром отмены алкоголя. Перфторан  устранял симптомы  окислительного стресса и предотвращал повышение ферментативной активности  в печени у крыс  при синдроме отмены, в результате хронической алкогольной интоксикации [21].
Атеросклероз. Перфторан был полезен при коррекции  структурных и метаболических изменений в печени во время экспериментального атеросклерозирования у кроликов.

Клинические исследования. Флегмоны.
Использование Перфторана позволило снизить тканевую гипоксию при лечении фасциальной и Дипиютреновской флегмон, а также уровень креатинина и трансаминаз в сыворотке крови, индекс интоксикации, гипоксемию и время пребывания в госпитале. Вместе с тем повысилась скорость местного заживления ран.

Вальвулопластика.
Перфторан использовался при кардиохирургических вальвулопластиках с предоперационной острой нормоволемической гемодилюцией и при дыхании  кислородом в концентрации 1.0 происходило повышение парциального напряжения кислорода в артериальной крови, тем самым снижалась потребность в переливании эритроцитов.

Клиническое использование. Геморрагический шок и перфузия органов.
Перфторан был опробован в 1995-1996 году в России [22] в клинике как временный переносчик кислорода при геморрагическом шоке [14]. На Украине Перфторан начал официально применяться в 2005 году, в Киргизской Республике в 2006 году и в Мексике в 2005 году.  
Учитывая уже имеющиеся данные об эффективности ПФУ как заменителя эритроцитов [23] и согласно п.4, п.п.3 Приложения 3 к приказу Министра здравоохранения Республики Казахстан от 26.07.2012 года № 501 в медицинских организациях Республики Казахстан должны быть обеспечены условия для проведения альтернативного лечения, в том числе препараты, обеспечивающие кислородно-транспортную функцию. На сегодняшний день в Республике Казахстан имеется единственный зарегистрированный и одобренный к применению препарат из этой серии – Перфторан.

К сожалению, литературных данных о клиническом применении Перфторана в клиниках Республики Казахстан, а также о его эффективности недостаточно. Имеется опыт успешного применения  в клинической практике Перфторана при гипоксической гипоксемии у больных с респираторным дистресс-синдромом взрослых (РДСВ) и при жировой эмболии (легочная форма) на ранних стадиях. При применении Перфторана происходило значимое повышение парциального напряжения кислорода в артериальной крови (на 10-15 мм.рт.ст), в то время когда обычными методами (искусственная вентиляция легких) не удавалось повысить уровень парциального напряжения кислорода в артериальной крови.

Согласно имеющимся литературным данным, Перфторан является альтернативным источником кислорода при различных гипоксических состояниях, что нередко возникает в повседневной клинической практике: у больных с геморрагическим шоком, при остром инфаркте миокарда в острейшей и острой стадии, когда перфторан обеспечивает транспорт кислорода в частично блокированное микроциркуляторное русло миокарда. При применении Перфторана у больных с сосудистой патологией ЦНС, последний обеспечивал транспорт кислорода в частично блокированное микроциркуляторное русло головного мозга. Во время операций на открытом сердце и при аорто-коронарном шунтировании Перфторан обеспечивал достаточную оксигенацию крови. Препарат применялся для кардиоплегии при реконструктивных операциях на сердце и сосудах. В трансплантологии Перфторан использовался  для защиты донорских органов до, во время и после пересадки. Но, в то же время, несмотря на очевидные преимущества, недостаточная информированность о возможностях применения препарата специалистами общей практики, играет не последнюю роль в ограниченности его применения.

1. Nose Y. Is there a role  for blood substitutes in civilian medicine^ a drug for emergency shock cases? Artiff Organs 2004;28:807-12.
2. Yoshiba F, Kawaguchi AT, Hyodo O, Kinoue T, Inokuchi S, Kato S. Possible role of artificial oxygen carriers in transfusion medicine: a retrospectives analysis on current transfusion practice. Artiff Organs2009; 33: 127 – 32.
3. Ries JG. Blood substitutes:fluorocarbon approach. In: Swarbirick J, ed. Encyclopedia of Pharmaceutical Technology, 3rd  edition. New York: Informa Healthcare, 2007; 336.
4. Winslow R.M. historical background. In: Winslow RM, ed. Blood substitudes. London Academic Press, 2006; 5-16.
5. Ries JG. Oxygen carriers (“blood substitutes”) raison d’etre, chemistry, and some physiology. Chem Rev 2001; 101: 2797-920.
6. Ness PM, Cushing MM. Oxygen therapeutics: pursuit of an alternative to the donor red blood cell. Arch Pathol Lab Med 2007; 131: 734-41.
7. Kawaguchi AT. Artificial oxygen carriers: a clinical point of view. Artif. Organs 2009; 33:97-9.
8. Nader ND, Knight PR, Davidson BA, Safaee SS, Steinhorn DM. Systemic perfluorocarbons suppress the acute lung inflammation after gastric acid aspiration in rats. Anesth. Analg. 2000; 90:356-61.
9. Lane TA. Perfluorochemical-based artificial oxygen carrying red cell substitutes. Transfus. Sci. 1995; 16:19-31.
10. Young LH., Jaffe CC, Revkin JH, McNulty PH, Cleman M, Metabolic and functional effects of perfluorocarbon distal perfusion during coronary angioplasty. Am J Cardiol 1990; 65:986-90.
11. Lowe KC. Perfliorinated blood substitutes and artificial oxygen carriers. Blood rev. 1999; 171-84.
12. Habler OP, Messmer KF, Tissue perfusion and oxygenation with blood substitutes. Adv Drug Deliv Rev 2000;  40: 171-84.
13. Clark LC, Jr., Gollan F. Survival of mammals breathing organic liquids equilibrated with oxygen at atmospheric pressure. Science 1966; 152: 1755-6.
14. Spahn DR. Current status of artificial oxygen carriers. Adv Drug Deliv Rev 2000; 40:143-51.
15. Wasaka T, Kawai N, Yanagi Y, Hayase Y, Kishi K. A study of hypoxic cell radiosensitizer aoolied to Ehrlic ascite tumor: a comparision of FC 43 emulsion and pentoxifiline. Br. J Radiol 2002;75:909-12
16. Millard RW. Oxygen solubility, rheology and hemodinamics of perfluorocarbon emulsion blood substitutes Artf Cells Blood Substit Immobil Biotechnol 1994; 22:235-44.
17. Ries JG, Krafft MP. Fluorocarbon emulsions as in vitro oxygen delivery systems: background and chemistry. In: Winslow RM, ed. Blood Substitutes. London: Academic Press, 2006;259-75.
18. Eckmann DM, Armstead SC. Influence of endothelial glycocalyx degradation and surfactants on air embolism adhesion. Anesthesiology 2006; 105:1220-7.
19. Koshura VL, Basarab DA, Timkina MI, Golubev AM, Reshetnyak VI, Moros VV, Reperfusion injury after critical intestinal ischemia and its correction with perfluorochemical emulsion “perftoran” World J Gastroenterol 2005 ; 11: 7084-90.
20. Yarema IV, Magomedov MA. Experimental study of the use of perftoran for preventing the formation of postoperative adhesions in peritonitis. Bull Exp Biol med 2003; 136:582-4.
21. Miskevich D, Petushok N, Gerasimchik P, Borodinskii A. Effect of Perftoran on radial homeostasis during alcohol withdraw syndrome. Bull Exp Biol Med 2007; 143:43-5.
22. Ries JG, Perfluorocarbon-based oxygen delivery. Artif Cells Blood Substit Immobil Biotechnol 2006; 34:567-80.
23. Чурсин В.В. Трансфузионная терапия при острой массивной кровопотере\\ Метод. рекомендации. Алматы.- 2012. С 49.

Резюме
Дәл қазіргі уақытта эритроциттерді алмастыруға шұғыл қажеттілік бар. Бұл қажеттілікті толықтыру үшін алдағы уақытта өте көп еңбектенуге тура келеді.
Перфторуглеродтар эритроциттер мен антигипоксанттарды алмастырушы ретінде қазірдің өзінде клиникалық тәжірибеде қолжетімді болып табылады. Қазіргі уақыттағы қолдағы бар жетістік зерттеуші мен тиімді алмастырушы нәтижелерінің арасындағы одан ары қарай зерттеуді қажет етеді. Бірақ, жетістіктер көпуәдеберушілік болып табылады.
 
Резюме
В настоящее время есть острая необходимость в заменителе эритроцитов. Еще предстоит сделать очень много для восполнения этой потребности.
Перфторуглероды как заменители эритроцитов и антигипоксанты уже сейчас являются доступными в клинической практике. Имеющиеся на данный момент достижения требуют дальнейших исследований с кооперацией между исследователями и эффективным обменом результатами. Тем не менее, перспективы являются многообещающими.
 
Summary
Hence the need for an appropriate blood substitute still persists, and there is a considerable amount of work yet to be done in order to fulfill that need. That achievement will require further research in different applications, efficient sharing of results, and vast cooperation between divers research groups. However the perspectives are promising.
The blood substitute is available yet, further research is needed. Therefore, governmental and academic funding is required to be more close of having a perfluorocarbones in clinical use.