Инфографика на конкурс «био/мол/текст»: Клинический анализ крови — самый распространенный лабораторный тест, назначаемый врачом, когда мы приходим на прием и жалуемся на плохое самочувствие. «Кровь из пальца, завтра с 8:00 до 9:30, натощак, N-ный кабинет», — такую фразу неизменно слышали несколько поколений. Однако технология исследования крови претерпела большие изменения за последние десятилетия и прошла путь от ручных методов к автоматическим. Разбираемся, как анализировали кровь вашей бабушки и почему сейчас все делается по-другому.
Cостав крови
Около 60% крови составляет плазма — жидкая ее часть. Эритроциты, лейкоциты и тромбоциты — составляют 40%.
В густой вязкой жидкости (плазма крови) содержатся необходимые для жизнедеятельности организма вещества. Данные полезные вещества, перемещающиеся к органам и тканям, обеспечивают химическую реакцию организма и деятельность всей нервной системы. Гормоны, производимые железами внутренней секреции, поступают в плазму и разносятся кровотоком. В плазме также содержатся ферменты — антитела, защищающие организм от инфекции.
Эритроциты (красные кровяные тельца) — основная масса элементов крови, которая определяет ее цвет.
Конструкция эритроцита смахивает на тончайшую губку, поры которой забиты гемоглобином. Каждый эритроцит несет 267 миллионов молекул данного вещества. Основное свойство гемоглобина: свободно заглатывать кислород и углекислоту, вступая с ними в соединение, и при необходимости, освобождается от них.
Что будем исследовать?
Кровь — жидкая соединительная ткань организма, состоящая из плазмы и трех типов форменных элементов: эритроцитов, тромбоцитов и лейкоцитов. Лейкоциты, в свою очередь, бывают с гранулами в цитоплазме — это нейтрофилы, эозинофилы и базофилы, — и без гранул — лимфоциты и моноциты. Для того чтобы отличить патологию от нормы, нужно знать, какова концентрация клеток крови, как они выглядят и какую функцию выполняют. Пришло время вспомнить, с кем мы имеем дело.
Рисунок 1. Форменные элементы крови [1–3]
Рисунок 2. На рисунке представлены: концентрации форменных элементов крови в норме; лейкоцитарная формула — процентное соотношение разных видов лейкоцитов в крови; скорость оседания эритроцитов; концентрация гемоглобина; гематокрит в норме [4].
Итак, специалисты анализируют относительное и абсолютное содержание клеток, их морфологические характеристики, распределение по объему крови и многие другие параметры. Эти показатели могут рассказать, способны ли клетки в полной мере выполнять свои функции, а если нет, то указать на причину их «неработоспособности» и послужить основой для постановки диагноза.
Рисунок 3. Исследование крови: тогда и сейчас
Тромбоциты
Кровяные пластинки, бегущие около стенок кровеносных сосудов. Они выступают как бы в виде бессменных ремонтных бригад, которые следят за исправностью стенок сосуда. В каждом кубическом миллиметре находятся более 500 тысяч таких ремонтников. А всего в организме больше полутора триллионов.
Срок существования определенной группы клеток крови строго ограничен. К примеру, около 100 дней живут эритроциты. Жизнь лейкоцитов отмеряется от нескольких дней до нескольких десятилетий. Меньше всего живут тромбоциты. Они существуют лишь 4-7 дней.
Вместе с кровотоком все эти элементы свободно передвигаются по кровеносной системе. Там, где организм держит замеренный поток крови про запас — это в печени, селезенке и подкожной ткани, данные элементы могут задержаться здесь подольше.
У каждого из этих путешественников есть свой определенный старт и финиш. Эти две остановки им не миновать ни при любых обстоятельствах. Начало их пути и там, где клетка вымирает.
Известно, что большее число элементов крови начинают свой путь, оставляя костный мозг, некоторые начинают с селезенки или лимфатических узлах. Заканчивают они свой путь в печени, некоторые в костном мозге или селезенке.
В течение секунды рождаются около 10 миллионов появившихся на свет эритроцитов, такое же количество выпадает на погибшие клетки. Это означает, что строительные работы в кровеносной системе нашего организма не приостанавливаются ни на секунду.
За сутки количество таких эритроцитов может достигать до 200 миллиардов. При этом вещества, входящие в состав отмирающих клеток, перерабатываются и вновь эксплуатируются при воссоздании новых клеток.
Группы крови
Переливая кровь от животного к высшему существу, от человека к человеку, ученные наблюдали такую закономерность, что очень часто пациент, которому переливают кровь, умирает или появляются тяжелейшие осложнения.
С открытием венского врача К. Ландштейнера групп крови стало ясно, почему в некоторых случаях переливание крови проходит успешно, а в других приводит к печальным последствиям. Венский врач впервые обнаружил, что плазма, некоторых людей способна склеивать эритроциты других людей. Такое явление получило название изогемагглютинация.
В ее основе наблюдается присутствие антигенов, названных латинскими большими буквами A B, а в плазме (природных антител) именуется a b. Агглютинация эритроцитов наблюдается только в том случае, когда встречаются A и а, B и b.
Известно, что природные антитела имеют два центра соединения, потому одна молекула агглютинина может создать мостик между двумя эритроцитами. В то время как отдельный эритроцит, с помощью агглютининов, может склеиваться с соседним эритроцитом, благодаря чему образуется конгломерат эритроцитов.
Не возможно одинаковое число аглютиногенов и агглютининов в крови одного человека, так как в этом случае было бы массовое склеивание эритроцитов. Это никак не совместимо с жизнью. Возможны только 4 группы крови, то есть четыре соединения, где не пересекаются одинаковые агглютинины и агглютиногены: I — ab, II — AB, III — Ba, IV-AB.
Для того чтобы сделать переливание крови донора к пациенту, необходимо пользоваться этим правилом: среда пациента должна быть пригодна для существования эритроцитов донора (человек, отдающий кровь). Эта среда называется — плазма. То есть, для того, чтобы проверить совместимость крови донора и пациента, необходимо кровь с сывороткой совместить.
Первая группа крови совместима со всеми группами крови. Поэтому человек, с такой группой крови является универсальным донором. При этом человек, с самой редко группой крови (четвертая), не может быть донором. Его называют универсальным реципиентом.
В повседневной же практике, врачи используют другое правило: переливание крови только по совместимости групп крови. В других же случая, если нет данной группы крови, можно производить трансфузию другой группы крови в очень маленьком количестве, чтобы кровь смогла прижиться в организме пациента.
Времена меняются
Изменения видны уже на этапе забора крови: если раньше врач собирал кровь в несколько пробирок с реагентами, стеклянный капилляр и делал на стекле мазок, то сейчас используются совсем небольшие объемы — от 12 до 150 мкл [15] крови достаточно, чтобы исследовать ее по всем параметрам.
Заглянем в современную гематологическую лабораторию. Ого! Все заставлено оборудованием, и лаборанта что-то не видно… Может, отошел приготовить себе кофе? Не успеет! Анализ крови будет готов за минуту, и прибор выдаст результат в виде бумажной ленты с числами и аббревиатурами, за которыми скрываются всевозможные параметры.
Современные гемоанализаторы подразделяются на несколько классов, в зависимости от того, что они умеют делать. Каждый последующий класс — новая ступень эволюции — быстрее, точнее, совершеннее. Использование комбинации технологий творит чудеса: если первые анализаторы могли определять восемь параметров крови и не различали виды лейкоцитов [16], то новейшие приборы способны дифференцировать до семи популяций лейкоцитов [17] и в общей сложности исследовать более 40 характеристик крови.
Как сказал Артур Кларк: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии». И действительно, подробнейший результат за столь короткий срок не может не удивлять. Но вся магия основана на физических законах. И хотя такие названия, как электрический импеданс, светорассеяние и фотометрия на первый взгляд немного пугают, сейчас мы разберемся, какие принципы лежат в основе каждой технологии анализа.
Перепись населения
В середине прошлого века Уоллес Культер совершил революцию, запатентовав технологию автоматического подсчета клеток. Его именем назван один из лидеров в сфере производства гематологических анализаторов — компания Beckman Coulter [18]. Апертурно-импедансный метод (или метод Культера) основан на регистрации и анализе импульсов, возникающих при прохождении клетки через апертуру из одной емкости в другую, в каждой из которых находится электрод. Когда клетки в отверстии нет, через электролит между электродами свободно протекает ток под действием электрического поля. Чтобы направить клетки к апертуре, используют насос, откачивающий жидкость из одной емкости, в нее и устремляются форменные элементы. Проходя через апертуру, клетка вытесняет из одной емкости в другую объем электролита, равный своему объему. При этом возникает импульсное изменение сопротивление (импеданса) — мембрана клеток создает препятствие для свободного протекания тока. Одновременно меняется и сила тока, которую регистрирует счетчик. Число возникших импульсов соответствует количеству форменных элементов, а высота импульса пропорциональна объему клетки [19]. Используя информацию о количестве и объеме форменных элементов, прибор может рассчитать гематокрит, среднюю концентрацию гемоглобина в эритроците, ширину распределения клеток по объему и многие другие параметры [15].
Разделяй и властвуй
Дифференцировку лейкоцитов на популяции можно провести с помощью счетчика Культера, однако возникает проблема — различные виды лейкоцитов близки по объему и схожая амплитуда импульсов не всегда позволяет точно установить тип клетки. Как быть? Для решения этой загвоздки подбирают сочетания реагентов, которые изменяют размеры клеток в разной степени так, что становится возможным их разделить [15].
Но наиболее распространенный способ дифференцировки — проточная цитофлуометрия [20]. Метод работает следующим образом: клетки, находящиеся в потоке, поочередно облучаются лазером, а возникающие при этом сигналы светорассеяния и флуоресценции регистрируются детекторами и анализируются. Для того чтобы правильно определить принадлежность к популяции, исследуют сразу несколько параметров. Так, рассеяние света под малым углом дает информацию об относительном размере клеток, а рассеяние света под прямым углом позволяет «заглянуть» внутрь клетки и изучить ее внутреннюю структуру — наличие гранул и форму ядра. Еще один параметр — флуоресценция — способен рассказать о количестве антигенов и их виде на поверхности клеток — такое точно не определить на глаз. В отличие от ручных методов дифференцировки, анализируются не 100–200 клеток, а десятки тысяч в секунду! И к каждому лейкоциту индивидуальный подход: гидродинамическая фокусировка способствует тому, чтобы клетки выстраивались в ряд и облучались в проточной ячейке поодиночке. Результат подсчета появляется на экране в виде диаграмм рассеивания, где клетки со схожими свойствами формируют кластеры.
Выпали в осадок: 2.0
Современные приборы умеют измерять СОЭ двумя принципиально различными способами. Первый — модифицированный метод Вестергрена. Принцип работы не изменился со времен вашей бабушки, но за счет автоматизации стал более быстрым и точным. Второй — измерение кинетики агрегации эритроцитов оптическим методом [21]. Происходит это так: в кровь добавляется антикоагулянт, пробирки с кровью помещаются в ротор, где происходит автоматическое перемешивание. После этого анализатор отбирает часть крови в микрокапилляр, где она ускоряется и резко останавливается (так называемый метод «остановленной струи»). Остановка вызывает агрегацию эритроцитов, и в этот момент с помощью фотометра определяется оптическая плотность крови — чем плотнее будут расположены эритроциты, тем меньше света пройдет через пробу. Прибор использует полученные данные и строит кривую седиментации — ее анализ позволит представить результат в привычных единицах измерения СОЭ [22], [23].
Фото на память
Для определения концентрации гемоглобина Международный комитет по стандартизации в гематологии рекомендует метгемоглобин-цианидный метод. Однако сейчас повсеместно применяется иное исследование, не использующее токсичный цианид. Знакомьтесь, SLS-метод. Назван он по основному реагенту — лауритилсульфату натрия. SLS разрушает мембраны эритроцитов, после чего связывается с группами гема и образует стабильные комплексные соединения. Они анализируется фотометрически — через пробу крови пропускают свет лазера. Комплексные соединения поглощают часть света, в результате этого интенсивность выходящего светового потока ослабевает. Затухание измеряют с помощью фотодатчика и полученные данные преобразуют в единицы концентрации гемоглобина [24].
Резус-фактор
Известные врачи К. Ландштейнер и А. Виннер при эксперименте над обезьянами, обнаружили у нее антиген, который на сегодняшний день несет название — резус-фактор. При дальнейших исследованиях оказалось, что такой антиген находится у большинства людей белой расы, то есть более 85%.
Такие люди отмечаются резус — положительным ( Rh+). Почти 15% народа носят резус — отрицательный (Rh-).
Система резус не имеет одноименных агглютининов, но они могут появиться в том случае, если человеку с отрицательным фактором перелить кровь резус — положительную.
Резус-фактор определяется по наследству. Если женщина с положительным резус-фактором, родит от мужчины с отрицательным резусом, то ребенок на 90% получит именно отцовский резус-фактор. В таком случае, несовместимость резуса матери и плода 100%.
Такая несовместимость может привести к осложнениям в беременности. При этом страдает не только мать, но и плод. В таких случаях не редки преждевременные роды и выкидыши.
Конкурс «био/мол/текст»-2019
Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «био/мол/текст»-2019.
Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.
Спонсор конкурса — : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.
«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»
Заболеваемость по группам крови
Люди, имеющие разные группы крови подвержены определенным заболеваниям. К примеру, человек с первой группой крови подвержен язвенным заболеваниям желудка и двенадцатиперстной кишки, гастрит, болезни желчи.
Очень часто и сложнее переносят сахарный диабет, индивиды с второй группой крови. У таких людей свертываемость крови значительно повышена, что приводит к инфарктам миокарда и инсультам. Если следовать статистике, у таких людей наблюдаются раковые заболевания половых органов и раковые заболевания желудка.
Лица с третьей группой крови больше остальных страдают заболеванием рака толстой кишки. Притом, люди с первой и четвертой группой крови тяжело переносят натуральную оспу, но менее восприимчивы к возбудителям чумы.
Кровь другого цвета у различных живых существ
Далеко не у всех живых организмов кровь красного цвета.
Белок придающий такой цвет у человека гемоглобин, содержащийся в гемоглобине. У других живых существ вместо гемоглобина иные жиросодержащие белки.
Наиболее распространенными оттенками помимо красного являются:
- Голубой. Таким цветом могут похвастаться ракообразные, пауки, моллюски, осьминоги и кальмары. И голубая кровь имеет огромное значение для этих существ, так как наполнена важными элементами. Вместо гемоглобина содержится гемоцианин, в котором содержится медь.
- Фиолетовый. Этот цвет у морских беспозвоночных и некоторых моллюсков. Обычно такая кровь бывает не только фиолетовой, но и слегка розовой. Розового цвета кровь у молодых беспозвоночных организмов. В данном случае белок гемэритрин.
- Зеленый. Встречается у кольчатых червей и пиявок. Белок хлорокруорин, близок к гемоглобину. Однако железо в этом случае не окисное, а закисное.
Цвет крови различается в зависимости от белка, который в ней содержится. Какого цвета ни была бы кровь, она обладает огромным количеством полезных веществ, необходимых живому организму. Пигмент для каждого организма важен, несмотря на его разнообразие.
