Голубая кровь крабов содержит древний механизм иммунной защиты, который помог спасти бесчисленное количество человеческих жизней.
Ключевые выводы
- Подковообразные крабы не только устойчивы к болезням, но и обладают впечатляющей способностью переживать экстремальные физические повреждения.
- Основная причина сосредоточена на уникальном и древнем механизме иммунной защиты: особом типе клеток крови, называемом амебоцитом, который заставляет кровь крабов сворачиваться в волокнистые массы при столкновении с эндотоксинами.
- В 1970-х годах медицинская промышленность начала использовать этот специальный компонент свертывания крови для проверки наличия бактерий на медицинских устройствах и в вакцинах.
Отрывок из книги Pump: A Natural History of the Heart © 2021, Билл Шутт. Перепечатано с разрешения Algonquin Books of Chapel Hill.
История о том, как атлантический мечехвост впервые обратился к медицине, произошла в 1956 году. Именно тогда патобиолог Вудс-Хоул Фред Бэнг определил, что определенные типы бактерий вызывают свертывание крови мечехвоста в тягучие массы. Он и его коллеги предположили, что это древняя форма иммунной защиты. В конце концов они определили, что за образование сгустка отвечает тип клеток крови, называемый амебоцитом. Как следует из их названия, амебоциты напоминают амеб, одноклеточных одноклеточных простейших, которые делают ложноножки такими популярными, а дизентерию - такой непопулярной.
Бэнг и те, кто следил за его исследованиями, предположили, что свертывающая способность амебоцитов развилась в ответ на жижу, богатую бактериями и патогенами, через которую мечехвосты пробираются почти всю свою жизнь.. Их армия переносимых кровью амебоцитов может отгораживать чужеземных захватчиков, изолируя их в тюрьмах студенистой слизи, прежде чем они смогут распространять свои инфекции.
В результате мечехвосты не только устойчивы к болезням, но и обладают впечатляющей способностью переносить экстремальные физические повреждения. Наиболее смертоносные на вид раны быстро закупориваются тромбами, генерируемыми амебоцитами, что позволяет раненым людям вести себя так, как будто они только что не потеряли кусок раковины размером с кулак из-за пропеллера подвесного мотора. Эта уникальная система защиты и восстановления может быть, по крайней мере, частично ответственна за то, что мечехвосты живут почти полмиллиарда лет, период, в течение которого они пережили в общей сложности пять планетарных вымираний.
Теперь мы знаем, что амебоциты делают свое дело, обнаруживая потенциально смертельные химические вещества, называемые эндотоксинами. Они связаны с грамотрицательными бактериями, классом микробов, который включает такие патогены, как Escherichia coli (пищевое отравление), Salmonella (брюшной тиф и пищевое отравление), Neisseria (менингит и гонорея), Haemophilus influenzae (сепсис и менингит), Bordetella pertussis. (коклюш) и Vibrio cholerae (холера).
Как ни странно, эндотоксины сами по себе не несут ответственности за множество заболеваний, связанных с этими бактериями. Они также не являются защитными продуктами - например, для борьбы с собственными врагами бактерий. Вместо этого эти большие молекулы образуют большую часть мембраны бактериальной клетки, помогая создать структурную границу между клеткой и ее внешней средой. Эндотоксины также известны как липополисахариды, поскольку они состоят из жира, присоединенного к углеводу. Эти молекулы становятся проблематичными для других организмов только после того, как бактерии были убиты и разрезаны или лизированы, что может произойти, когда иммунная система (или антибиотик) задействована для борьбы с грамотрицательной бактериальной инфекцией. В этот момент содержимое бактериальной клетки выплескивается наружу, а липополисахаридные компоненты мембраны высвобождаются в окружающую среду.
К сожалению, хотя болезнетворные бактерии, возможно, и побеждены, проблемы больного хозяина не закончились. Присутствие эндотоксинов в крови может вызвать быстрое начало лихорадки, одной из защитных реакций организма на чужеродного захватчика. Такие вещества, вызывающие лихорадку, называются пирогенами, и они могут привести к серьезным проблемам (например, повреждению головного мозга), если они слишком долго поддерживают слишком высокую температуру тела. Дальнейшие осложнения также могут возникнуть из-за опасно раздутого иммунного ответа организма - состояния, с которым медицинские работники были вынуждены сталкиваться во время пандемии коронавируса. В худших случаях воздействие эндотоксинов может привести к состоянию, известному как эндотоксический шок, каскаду опасных для жизни симптомов, которые варьируются от повреждения слизистой оболочки сердца и кровеносных сосудов до опасно низкого кровяного давления.
После нашей поездки в поисках яиц мечехвоста на пляже мы с Лесли сопровождали Дэна Гибсона в лабораторию Вудс-Хоул, где он подготовил предметное стекло свежей крови мечехвоста. Вскоре мы исследовали живые амебоциты мечехвоста.
«Они все полны гранул», - сказал я, отметив похожие на песок частицы, которые заполнили внутренности клеток.
«Это крошечные пакетики белка, называемого коагулогеном», - сказал Гибсон. Как следует из их названия, коагулогены вызывают коагуляцию или свертывание крови. «Когда амебоциты сталкиваются даже с малейшим количеством эндотоксина, они выделяют свои пакеты коагулогена, которые быстро превращаются в гелеобразный сгусток».
Поскольку эндотоксины могут вызывать такую опасную реакцию у людей, в 1940-х годах фармацевтическая промышленность начала проверять свои продукты на наличие этих веществ, которые также могут случайно выделяться в процессе производства лекарств. Одним из первых разработанных методов был тест на пирогенность на кроликах, который стал отраслевым стандартом. Вот как это работало: в ходе того, что определенно звучит как работа для «новичка», лабораторным кроликам, участвовавшим в тесте, измеряли исходную ректальную температуру. Затем лаборанты вводили кроликам партию тестируемого препарата, часто делая это через легкодоступную ушную вену. Затем они регистрировали ректальную температуру каждые тридцать минут в течение следующих трех часов. Если разовьется лихорадка, это будет сигнализировать о потенциальном присутствии эндотоксина в этой конкретной партии.
Обнаружив, что кровь мечехвоста сворачивается в присутствии эндотоксинов, в конце 1960-х годов коллега Фреда Бэнга, гематолог Джек Левин, разработал химический тест, известный как анализ, который чтобы заменить трудоемкий и противоречивый тест на пирогенность кролика. По сути, Левин и его коллеги разрезали амебоциты мечехвоста, чтобы собрать компонент, образующий сгусток, вещество, которое они назвали лизатом амебоцитов Limulus (LAL). Мало того, что LAL можно было использовать для проверки наличия эндотоксинов в партиях фармацевтических препаратов и вакцин, исследователи в конечном итоге обнаружили, что он также работает на таких инструментах, как катетеры и шприцы, медицинские устройства, стерилизация которых может убить бактерии, но также может случайно ввести эндотоксины в пациентов. получение медицинской помощи.
Хотя это открытие, по-видимому, было встречено сообществом кроликов с облегчением, мечехвосты и их поклонники были несколько менее чем взволнованы, особенно когда другой исследователь Вудс-Хоул быстро основал биомедицинскую компанию, которая начала извлекать кровь мечехвоста на промышленный масштаб. Вскоре на атлантическом побережье возникли еще три такие компании, превратившие производство LAL в многомиллионную индустрию. В результате сегодня почти полмиллиона мечехвостов вылавливают из воды каждый год, многие во время нереста. Большинство из них доставляются в промышленные лаборатории не в цистернах с холодной соленой водой, а в кузове открытых пикапов. По прибытии крабы встречают группы рабочих в масках и халатах, которые протирают их дезинфицирующим средством, сгибают их шарнирные раковины пополам («положение изгиба живота») и привязывают их к длинным металлическим столам в стиле сборочной линии. Затем шприцы большого диаметра вставляются прямо в сердце мечехвоста. Кровь, окрашенная в голубой цвет и имеющая консистенцию молока, стекает в стеклянные сосуды для сбора. И таким образом, что граф Дракула мог бы позавидовать, сбор крови продолжается до тех пор, пока кровь не перестанет течь, обычно после того, как будет слито около 30 процентов.
По крайней мере теоретически, мечехвосты должны пережить свое испытание, и после обескровливания по закону они должны быть возвращены примерно в то место, где были собраны. Но, по словам нейробиолога Плимутского государственного университета Криса Шабо, от 20 до 30 процентов крабов умирают в течение примерно семидесяти двух часов от сбора до обескровливания и возвращения.
«Примечательно, что жаберные крабы все время находятся вне воды», - сказал Шабо Лесли и мне. Мы были в гостях у ученого и его коллеги, зоолога Уина Уотсона, в устьевой лаборатории Джексона Университета Нью-Гэмпшира.
Также потенциально важным, объяснил Шабо, является тот факт, что никто не знает, испытывают ли ранее обескровленные образцы какие-либо краткосрочные или долгосрочные эффекты после возвращения в воду, и даже выживают ли они.(Комиссия по морскому рыболовству атлантических штатов [ASMFC] официально занимается управлением популяциями мечехвоста с 1998 года, но различные политики препятствуют ее возможности получить доступ к данным о смертности мечехвостов, добытых для биомедицинских компаний.) Имея это в виду, Шабо и его исследование Ученые пытались определить, как процесс добычи влияет на мечехвостов, когда они возвращаются в воду. Для этого он и его ученики собрали небольшое количество образцов и подвергли их воздействию условий, имитирующих те, с которыми крабы сталкиваются во время встреч с биомедицинской промышленностью.
Шабо и его ученики наблюдали у своих испытуемых вялость и дезориентацию, что, как они предположили, отчасти было связано с тем, что после кровотечения тело краба не может доставлять столько кислорода, сколько ему требуется. «Требуются недели, чтобы восполнить утраченные амебоциты и гемоцианин», - сказал он нам.
Шабо также объяснил, что из-за того, что многие из их защитных амебоцитов лизируются где-то в пробирке, такие вещи, как заживление ран и возвращение в среду, зараженную грамотрицательными бактериями, создают довольно мрачные перспективы для этих подковообразных. крабы отправились домой после долгого дня на конвейере.
Уотсон подтвердил, что сочетание трех дней, проведенных вне воды, при высоких температурах, в сочетании со значительной кровопотерей, может привести к летальному исходу для мечехвоста. Более того, добавил он, поскольку крабов обычно собирают во время брачного сезона и часто до того, как происходит спаривание, любая смертность может повлиять на размер будущих поколений, особенно потому, что во время сбора отбираются более крупные самки крабов. А учитывая, что у крабов медленное время созревания, масштабы назревающих проблем могут не стать очевидными для исследователей или кого-либо еще в течение десятилетия. По данным ASMFC, в регионах Нью-Йорк и Новая Англия уже наблюдается снижение численности мечехвостов.
Watson и Chabot оба предположили, что можно предпринять несколько довольно простых шагов, чтобы улучшить показатели смертности, тем самым помогая поддерживать популяции мечехвоста, не нанося вреда индустрии LAL. Первым шагом будет отложить добычу мечехвоста до окончания брачного сезона. Их второе предложение заключалось в том, чтобы перевозить образцы в биотехнологические лаборатории и обратно в резервуарах с прохладной водой, а не складывать их, сухие и горячие, на лодочных палубах и в кузовах грузовиков. Это, как объяснили знатоки мечехвоста, не только предотвратит тепловой стресс, но и предотвратит высыхание тонких перепончатых «страниц» их книжных жабр.
Из разговора с Уотсоном и Шабо мне стало ясно, что они полностью осознают важность ЛАЛ для медицинского сообщества и пациентов, чьи жизни она спасает. Эти исследователи просто пытаются улучшить шансы для вида, который справлялся с угрозами своему существованию задолго до того, как появились люди и добавили загрязнение, разрушение среды обитания и чрезмерный промысел мечехвоста к чертовому списку мечехвоста.
Хотя шаги, предложенные Уотсоном и Шабо, во многом помогут снизить смертность мечехвоста, существует еще один риск, связанный с промыслом. Это связано с тем, что каждое сердцебиение мечехвоста инициируется и контролируется небольшой массой нейронов, называемой ганглием, расположенной прямо над сердцем. Его задача состоит в том, чтобы стимулировать сокращение каждого отдела сердца в правильном порядке в ответ на мельчайшие электрические импульсы.
Эти нейрогенные сердца встречаются у ракообразных, таких как креветки, а также у сегментированных червей, таких как дождевые черви и пиявки. Они значительно отличаются от миогенных сердец, наблюдаемых у людей и других позвоночных, которые сокращаются без стимуляции внешними структурами, такими как ганглии или нервы. Вместо этого стимул для миогенного сокращения исходит из небольших областей специализированной мышечной ткани, называемых кардиостимуляторами, расположенных внутри самого сердца.
Отсутствие этих кардиостимуляторов в нейрогенных сердцах может, по крайней мере частично, объяснить, почему ацтекское искусство никогда не изображает жрецов со все еще бьющимися сердцами только что принесенных в жертву лобстеров или мечехвоста. Это потому, что их нейрогенные сердца перестали бы биться в тот момент, когда они были бы отделены от контролирующих их ганглиев.
Между тем, благодаря клеткам кардиостимулятора, человеческие сердца способны генерировать непрерывную последовательность электрических сигналов. Они начинаются в месте в правом предсердии, называемом синоатриальным (СА) узлом, и проходят через сердце по очень специфическим путям, называемым проводящими путями. Двигаясь, как водная рябь после удара гальки, сигналы проходят от правого предсердия к левому предсердию, оба расположены в самом верхнем «основании» сердца. По мере того, как пульсация начинает двигаться вниз к желудочкам, другой участок клеток водителя ритма, называемый атриовентрикулярным (АВ) узлом, замедляет сигнал, небольшая задержка позволяет желудочкам наполниться кровью. Электрический сигнал от АВ-узла продолжается вниз к заостренной верхушке сердца. При этом мышцы, составляющие каждый желудочек, стимулируются к сокращению по очереди.
Но в то время как наше миогенное сердце инициирует собственное биение, пара нервов контролирует скорость и силу сокращения. Это блуждающий нерв, замедляющий сердцебиение, и сердечный ускоритель… Ну ты знаешь. Они работают как часть вегетативной нервной системы (ВНС), которая выполняет свои важные обязанности без вашего согласия или добровольного участия.
Есть два отдела ВНС. Один, симпатический отдел, готовит вас к тому, чтобы справляться с реальными или воображаемыми угрозами с множеством реакций, включая учащение пульса и артериального давления. Это часто называют «реакцией борьбы или бегства». Когда ваш сердечный ритм ускоряется, ваша ВНС также вызывает увеличение притока крови к мозгу и мышцам ног. Это происходит, когда кровеносные сосуды, снабжающие эти области, получают сигнал о начале вазодилатации (то есть увеличении их внутреннего диаметра). Одновременно кровь отводится от пищеварительного тракта и почек из-за сужения сосудов крошечных кровеносных сосудов, которые обычно их снабжают. Причина здесь в том, что переваривание Cheerios и производство мочи становится несколько менее важным, когда вы внезапно сталкиваетесь с медведем гризли или перспективой выступления перед аудиторией. Вместо этого лишняя кровь направляется к мышцам ног через их широко открытые капилляры, готовя вас к спринту. Приток крови к мозгу также усиливается, что, по-видимому, позволяет вам понять, что делать, если убежать не получится.
Вторым отделом вегетативной нервной системы является парасимпатический отдел, который вступает во владение в нормальных условиях (также известных как медведь гризли и отсутствие публичных выступлений). Это альтернатива ВНС «отдых и покой». Он замедляет частоту сердечных сокращений, направляя кровоток к органам, затронутым реакцией «бей или беги», например тем, которые отвечают за пищеварение и выработку мочи.
Интересно, что если нервы, контролирующие ВНС, повреждены или если их импульсы заблокированы (внимание поклонников фугу), сердце не перестает биться, что может привести к быстрому летальному исходу. Вместо этого узел SA берет на себя регулирование частоты сердечных сокращений, устанавливая внутренний темп около 104 ударов в минуту.
Проблема краба-мечехвоста, получающего подкожное лечение Дракулы, заключается в том, что его сердце не имеет такой способности управлять собой. Его сердцебиение регулируется исключительно ганглием, расположенным над ним.
Уотсон объяснил, что ганглий активирует двигательные нейроны, которые сообщаются с сердечной мышцей, высвобождая нейротрансмиттер под названием глутамат. Этот химический мессенджер подходит как ключ к нейротрансмиттерным замкам на поверхности сердца. Эти замки известны как рецепторы, и образующаяся в результате система «замок-ключ» заставляет клетки, из которых состоит эта мышца, сокращаться.
«Проблема в том, - сказал Уотсон, - что если вы воткнете иглу в мечехвоста, чтобы слить его кровь, и по ошибке заденете сердечный узел, вы, скорее всего, убьете животное».
“Значит, работники этих биомедицинских учреждений, берущие образцы крови, должны учитывать расположение сердечного узла, когда вводят иглы, правильно?”
Ватсон покачал головой. «Билл, я сомневаюсь, что кто-то из них вообще знает об этом».