Свертывание крови — крайне сложный и во многом еще загадочный биохимический процесс, который запускается при повреждении кровеносной системы и ведет к превращению плазмы крови в студенистый сгусток, затыкающий рану и останавливающий кровотечение. Нарушения этой системы крайне опасны и могут привести к кровотечению, тромбозу или другим патологиям, которые совместно отвечают за львиную долю смертности и инвалидности в современном мире. Здесь мы рассмотрим устройство этой системы и расскажем о самых современных достижениях в ее изучении.
Каждый, кто хоть раз в жизни получал царапину или рану, приобретал тем самым замечательную возможность наблюдать превращение крови из жидкости в вязкую нетекучую массу, приводящее к остановке кровотечения. Этот процесс называется свертыванием крови и управляется сложной системой биохимических реакций.
Иметь какую-нибудь систему остановки кровотечения — абсолютно необходимо для любого многоклеточного организма, имеющего жидкую внутреннюю среду. Свертывание крови является жизненно необходимым и для нас: мутации в генах основных белков свертывания, как правило, летальны. Увы, среди множества систем нашего организма, нарушения в работе которых представляют опасность для здоровья, свертывание крови также занимает абсолютное первое место как главная непосредственная причина смерти: люди болеют разными болезнями, но умирают почти всегда от нарушений свертывания крови. Рак, сепсис, травма, атеросклероз, инфаркт, инсульт — для широчайшего круга заболеваний непосредственной причиной смерти является неспособность системы свертывания поддерживать баланс между жидким и твердым состояниями крови в организме.
Если причина известна, почему же с ней нельзя бороться? Разумеется, бороться можно и нужно: ученые постоянно создают новые методы диагностики и терапии нарушений свертывания. Но проблема в том, что система свертывания очень сложна. А наука о регуляции сложных систем учит, что управлять такими системами нужно особым образом. Их реакция на внешнее воздействие нелинейна и непредсказуема, и для того, чтобы добиться нужного результата, нужно знать, куда приложить усилие. Простейшая аналогия: чтобы запустить в воздух бумажный самолетик, его достаточно бросить в нужную сторону; в то же время для взлета авиалайнера потребуется нажать в кабине пилота на правильные кнопки в нужное время и в нужной последовательности. А если попытаться авиалайнер запустить броском, как бумажный самолетик, то это закончится плохо. Так и с системой свертывания: чтобы успешно лечить, нужно знать «управляющие точки».
Вплоть до самого последнего времени свертывание крови успешно сопротивлялось попыткам исследователей понять его работу, и лишь в последние годы тут произошел качественный скачок. В данной статье мы расскажем об этой замечательной системе: как она устроена, почему ее так сложно изучать, и — самое главное — поведаем о последних открытиях в понимании того, как она работает.
Подробное описание исследования
Свертывание крови — это сложный, многоэтапный процесс, в котором задействованы многочисленные факторы. Факторы свертывания крови — это вещества белковой природы, которые содержатся в плазме крови (плазменные факторы) и в тромбоцитах (тромбоцитарные). Они участвуют в образовании кровяного сгустка (тромба). Всего выделяют тринадцать плазменных факторов и двадцать два тромбоцитарных. Лабораторные исследования позволяют измерить активность практически каждого из них.
Факторы свертывания крови вырабатываются в печени и в самих кровеносных сосудах, постоянно циркулируют в кровеносной системе в неактивном состоянии. Активируются в момент повреждения сосудистой стенки.
Если активность определенного фактора низкая или его недостаточно, это может повлечь за собой серьезные нарушения свертывания, что опасно неконтролируемыми кровотечениями. Если же активность фактора слишком высока, это опасно излишним тромбообразованием. Оценка активности факторов свертывания крови позволяет специалисту определить причину дефекта и выбрать подходящую тактику лечения.
Когда ткань или стенка сосуда повреждается, запускается процесс гемостаза, который останавливает кровотечение, формируя т.н. пробку в месте повреждения. Тромбоциты направляются к поврежденному участку, слипаются и закрывают его. Активируется каскад свертывания крови.
По мере того как каскад приближается к завершению, растворимый фибриноген трансформируется в нерастворимые нити фибрина. Нити сшиваются вместе, образуя фибриновую сетку, которая закрепляется на поврежденном участке.
Такой кровяной сгусток предотвращает излишнюю кровопотерю и остается на месте повреждения до заживления. В норме в организме человека существует определенный баланс между формированием тромбов и их своевременным растворением. Если функциональная активность одного из факторов свертывающей системы крови нарушена, баланс также нарушается.
Факторы свертывания крови обозначают римскими цифрами. Фактор XII (фактор Хагемана) образуется в клетках печени и относится к плазменным факторам свертывания. Он активируется при повреждении сосудов и взаимодействует с фактором XI, запуская дальнейший каскад свертывания.
Дефицит фактора Хагемана клинически проявляется как удлинение времени кровотечения. При этом пациенты с таким заболеванием не проявляют склонности к патологическим, неконтролируемым кровотечениям. Поэтому заподозрить дефект достаточно сложно. Как правило, недостаточную активность фактора обнаруживают случайно.
Также дефицит фактора XII может проявляться склонностью к повышенному тромбообразованию, потому как он участвует в разрушении сформировавшихся тромбов, регулируя превращение неактивного плазминогена в активный плазмин. Последний растворяет нити фибрина в тромбе.
Недостаточную активность фактора XII диагностируют при тромбозах, тромбоэмболиях, инфаркте, самопроизвольном аборте. Как правило, исследование назначают при подозрении на наследственную патологию свертывания, особенно, если эпизоды длительного кровотечения начинаются в раннем возрасте или у кровных родственников есть подтвержденный дефицит фактора XII.
Регуляция системы свертывания
Рисунок 6. Вклад внешней и внутренней теназы в формирование фибринового сгустка в пространстве. Мы использовали математическую модель, чтобы исследовать, как далеко может простираться влияние активатора свертывания (тканевого фактора) в пространстве. Для этого мы посчитали распределение фактора Xa (который определяет распределение тромбина, который определяет распределение фибрина). На анимации показаны распределения фактора Xa, произведенного внешней теназой (комплексом VIIa–TF) или внутренней теназой (комплексом IXa–VIIIa), а также общее количество фактора Xa (заштрихованная область). (Вставка показывает то же самое на более крупной шкале концентраций.) Можно видеть, что произведенный на активаторе фактор Xa не может проникнуть далеко от активатора из-за высокой скорости ингибирования в плазме. Напротив, комплекс IXa–VIIIa работает вдали от активатора (т.к. фактор IXa медленнее ингибируется и потому имеет большее расстояние эффективной диффузии от активатора), и обеспечивает распространение фактора Xa в пространстве.
[9]
Сделаем следующий логический шаг и попробуем ответить на вопрос — а как описанная выше система работает?
Каскадное устройство системы свертывания
Начнем с каскада — цепочки активирующих друг друга ферментов. Один фермент, работающий с постоянной скоростью, дает линейную зависимость концентрации продукта от времени. У каскада из N ферментов эта зависимость будет иметь вид tN, где t — время. Для эффективной работы системы важно, чтобы ответ носил именно такой, «взрывной» характер, поскольку это сводит к минимуму тот период, когда сгусток фибрина еще непрочен.
Запуск свертывания и роль положительных обратных связей
Как упоминалось в первой части статьи, многие реакции свертывания медленны. Так, факторы IXa и Xa сами по себе являются очень плохими ферментами и для эффективного функционирования нуждаются в кофакторах (факторах VIIIa и Va, соответственно). Эти кофакторы активируются тромбином: такое устройство, когда фермент активирует собственное производство, называется петлей положительной обратной связи.
Как было показано нами экспериментально и теоретически, положительная обратная связь активации фактора V тромбином формирует порог по активации — свойство системы не реагировать на малую активацию, но быстро срабатывать при появлении большой. Подобное умение переключаться представляется весьма ценным для свертывания: это позволяет предотвратить «ложное срабатывание» системы.
Роль внутреннего пути в пространственной динамике свертывания
Одной из интригующих загадок, преследовавших биохимиков на протяжении многих лет после открытия основных белков свертывания, была роль фактора XII в гемостазе. Его дефицит обнаруживался в простейших тестах свертывания, увеличивая время, необходимое для образования сгустка, однако, в отличие от дефицита фактора XI, не сопровождался нарушениями свертывания.
Один из наиболее правдоподобных вариантов разгадки роли внутреннего пути был предложен нами с помощью пространственно неоднородных экспериментальных систем. Было обнаружено, что положительные обратные связи имеют большое значение именно для распространения свертывания. Эффективная активация фактора X внешней теназой на активаторе не поможет сформировать сгусток вдали от активатора, так как фактор Xa быстро ингибируется в плазме и не может далеко отойти от активатора. Зато фактор IXa, который ингибируется на порядок медленнее, вполне на это способен (и ему помогает фактор VIIIa, который активируется тромбином). А там, куда сложно дойти и ему, начинает работать фактор XI, также активируемый тромбином. Таким образом, наличие петель положительных обратных связей помогает создать трехмерную структуру сгустка.
Путь протеина С как возможный механизм локализации тромбообразования
Активация протеина С тромбином сама по себе медленна, но резко ускоряется при связывании тромбина с трансмембранным белком тромбомодулином, синтезируемым клетками эндотелия. Активированный протеин С способен разрушать факторы Va и VIIIa, на порядки замедляя работу системы свертывания. Ключом к пониманию роли данной реакции стали пространственно-неоднородные экспериментальные подходы. Наши эксперименты позволили предположить, что она останавливает пространственный рост тромба, ограничивая его размер.
Использованная литература
- Заболотских, И.Б., Синьков, С.В., Лебединский, К.М. Клинические рекомендации «Периоперационное ведение пациентов с нарушениями системы гомеостаза», 2021. — 42 с.
- Агибова, Н.Е., Боева, О.И., Байкулова, М.Х. и др. Фактор Хагемана в прогнозировании риска тромбоэмболических осложнений при фибрилляции предсердий. — Кардиоваскулярная терапия и профилактика, 201. — №8. — С.26-27.
- Chaudhry, L., El-Sadek, W., Chaudhry, G. et al. Factor XII (Hageman factor) deficiency: a rare harbinger of life threatening complications. — The Pan African medical journal, 2021. — Vol. 33(39).
Подведение итогов
В последние годы сложность системы свертывания постепенно становится менее загадочной. Открытие всех существенных компонентов системы, разработка математических моделей и использование новых экспериментальных подходов позволили приоткрыть завесу тайны. Структура каскада свертывания расшифровывается, и сейчас, как мы видели выше, практически для каждой существенной части системы выявлена или предложена роль, которую она играет в регуляции всего процесса.
На рисунке 7 представлена наиболее современная попытка пересмотреть структуру системы свертывания. Это та же схема, что и на рис. 1, где разноцветным затенением выделены части системы, отвечающие за разные задачи, как обсуждалось выше. Не все в этой схеме является надежно установленным. Например, наше теоретическое предсказание, что активация фактора VII фактором Xa позволяет свертыванию пороговым образом отвечать на скорость потока, остается пока еще непроверенным в эксперименте.
Рисунок 7. Модульная структура системы свертывания: роль отдельных реакций свертывания в функционировании системы.
[1]
Вполне возможно, что эта картина еще не вполне полна. Тем не менее, прогресс в этой области в последние годы вселяет надежду, что в обозримом будущем оставшиеся неразгаданные участки на схеме свертывания обретут осмысленную физиологическую функцию. И тогда можно будет говорить о рождении новой концепции свертывания крови, пришедшей на смену старинной каскадной модели, которая верно служила медицине на протяжении многих десятилетий.
Статья написана при участии А.Н. Баландиной и Ф.И. Атауллаханова и была в первоначальном варианте опубликована в «Природе» [10].
Витамин K
Витамин K был открыт датским исследователем Хенриком Дамом в процессе исследований 1929 — 1935 гг., получившим в 1943 году вместе с американским исследователем Эдвардом Дойзи Нобелевскую премию за открытие и исследование свойств витамина K. Дам изучал метаболизм холестерина и для выяснения влияния питания на синтез холестерина в организме проводил опыты на цыплятах, которым давали специальную обезжиренную диету. Цыплята заболевали неизвестной болезнью, если такая диета продолжалась более 2-3 недель. У них возникали множественные кровоизлияния под кожей, в мышцах и внутренних органах, а кровь свертывалась очень медленно. Болезнь возникала в результате нехватки неизвестного химического вещества, которое не совпадало ни с одним из известных к тому времени витаминов. Как сам Дам рассказал в своей Нобелевской лекции, он был назван витамином K по немецко-скандинавскому слову Koagulation (свертывание) и оказался первым витамином, названным от неанглийского слова.
Витамин K включает в себя группу жирорастворимых витаминов, которые необходимы для посттрансляционной модификации нескольких белков, большинство которых является белками свертывающей и противосвертывающей системы крови. Химически они относятся к производным 2-метил-1, 4 нафтохинолона.
Все члены семейства витамина K имеют метилированное нафтохинолоновое кольцо и боковую цепь, содержащую различное число остатков изопрена. Филлохинолон (витамин K1) имеет 4 остатка изопрена в боковой цепи, один из которых ненасыщен. Менахинолоны (витамин K2) содержат различное количество ненасыщенных остатков изопрена. Обычно они обозначаются как MK-n, где n — число остатков изпорена. Наличие остатков изопрена сближает витамины K с другими жирорастворимыми витаминами (A, E и убихинолоны (коэнзимы Q)). Витамины K1 и K2 являются единственными природными витаминами K. Остальные витамины K (K3, K4 и т. д.) являются синтетическими препаратами.
Витамин K1 содержится в зеленых овощах (шпинат, латук, цветная капуста, злаках, авокадо, киви, бананах, в мясе, молочных продуктах, яцах, сое, растительных маслах, в частности, в оливковом масле. Витамин K2 сннтезируется бактериями кишечника, поэтому авитаминоз витамина K у взрослых — редкое являение, в основном — при дисбактериозах после лечения антибиотиками. Однако у маленьких детей, у которых кишечник еще не заселен бактериями в достаточном количестве, нередко наблюдается гиповитаминоз K, который может давать склонность к кровотечениям. Витамин K не проникает через плаценту.
Как указывалось выше, витамин K необходим для карбоксилирования остатков глутаминовой кислоты в некоторых белках, которые превращаются в остатки гамма-карбоксиглутаминовой кислоты (Gla). Белки, которые претерпевают такую посттрансляционную модификацию называются Gla-белками.
У человека известно 14 Gla-белков:
- Белки свертывания крови: протромбин (фактор II), факторы VII, IX, X, протеины C, S и Z
- Белки костного метаболизма: остеокальцин (синоним: костный Gla-протеин, BGP) матриксный Gla-протеин (MGP)
- Участие в восстановлении сосудов (ангиогенезе)
Практические рекомендации по результатам обследования на полиморфизм фактора VII Arg353Gln (R353Q)
- Исследование на полиморфизм R353Q является важной составляющей частью обследования на полиморфизм генов системы гемостаза. Фактором риска, повышающим вероятность осложнений беременности является более частый вариант R. Полиморфный вариант Q снижает риск развития тромботических осложнений беременности.
- При наличии варианта R дополнительным фактором риска повышения концентрации фактора VII являются высокие уровни триглицеридов, избыток массы тела, прием гормональных контрацептивов и гормональной заместительной терапии. Поэтому важным дополнением к исследованию является определение липидограммы у пациента с включением в набор показателей триглицеридов. Липидная панель в таких случаях должна состоять из общего холестерина, липопротеидов низкой плотности, липопротеидов высокой плотности и триглицеридов. Важно также определение уровня глюкозы и проведение сахарной кривой. Обязательным является расчет индекса массы тела у пациента.
- В состав рекомендаций обязательно должны включаться рекомендации по диете, направленной на снижение потребления животных жиров и углеводов, включением в рацион олеиновой и пальмитиновой кислот (омега-3 кислот). Желательна умеренная физическая нагрузка под контролем специалиста по лечебной физкультуры в составе комплекса мер по борьбе с избыточной массой тела.
- Следует помнить, что протективный вариант Q может сочетаться с такими факторами риска тромбофилии как лейденская мутация, гомозиготная форма 4G/4G мутации PAI-1 и т. д., которые могут потребовать назначения гипокоагулянтной терапии в составе низкодозированной ацетилсалициловой кислоты и препаратов гепарина. Относительный дефицит фактора VII у таких пациенток может приводить к повышению риска кровотечений на фоне антикоагулянтной.
- Поскольку внутриутробный плод наследует один экземпляр гена от отца, а другой от матери, и часть осложнений беременности связано не только с генотипом матери, но и с генотипом внутриутробного плода (развитие тромбозов у плода), в некоторых случаях бывает необходимо обследование мужа на полиморфизмы генов системы гемостаза с целью расчета рисков повторения ситуации при следующей беременности и разработки адекватной тактики подготовки к беременности.
Что такое резус-фактор
К середине XX-го века ученые получили подтверждение, что совместимость людей по иммунологическим характеристикам крови не исчерпывается классическим разделением на четыре группы крови. Был обнаружен белок, присутствующий в крови примерно 85% людей. Соответственно, приблизительно у 15% людей он отсутствует. При переливании крови от первых ко вторым, организм реципиента начинает вырабатывать антитела к этому белку, то есть это вещество является антигеном. В медицине данный белок обозначается латинской буквой D. Если белок D в Вашей крови, то значит, у Вас резус-фактор положительный (Rh+)
, и Вы принадлежите к большинству (85%). Если данного антигена в Вашей крови нет, Ваш
резус-фактор отрицательный (Rh-)
. Резус-фактор в течение жизни не изменяется.
Почему резус-фактор важен при переливании крови
При переливании крови от человека с Rh+ к человеку с Rh- происходит конфликт по резус-фактору
. Но если при конфликте по группе крови разрушение эритроцитов (гемолиз) начинается сразу, то при конфликте по резус-фактору при первом переливании гемолиза не бывает. Первый контакт с антигеном D приводит лишь к сенсибилизации реципиента, то есть его организм вырабатывает специфические антитела, чувствительность к антигену повышается. А вот если антиген попадает в кровь человека с отрицательным резус-фактором повторно, организм начинает реагировать на проникновение чужеродного агента: эритроциты начинают слипаться внутри сосудов и разрушаться. Человек чувствует стеснение в груди, затрудненность дыхания, боли в области поясницы. Понижается артериальное давление, развивается острая почечная недостаточность. Подобный комплекс симптомов называется гемолитическим шоком.
В настоящее время гемолитический шок при переливании крови практически исключен. В сегодняшней медицинской практике для переливания используется кровь, совпадающая по группе и по резус-фактору с кровью реципиента. Для того чтобы исключить ошибку, перед проведением любой операции анализ на определение группы крови и резус-фактора делается заново.
