Jak błękitna krew zrobiła furorę w medycynie i co wspólnego ma z tym miedź

Sformułowanie „błękitna krew” to metaforyczne określenie krwi płynącej w żyłach klas ludzi szlachetnie urodzonych. Powszechnie wiadomo, że w żyłach wszystkich ludzi płynie „normalna” krew koloru czerwonego. Jednak w świecie zwierząt określenie „błękitna krew” wcale nie musi być metaforą…

Barwniki oddechowe 

Biologia zwierząt jest dla wielu z nas niezbadanym i zagadkowym terenem, który pobieżnie poznaliśmy na lekcjach w szkole podstawowej. Wielu przedstawicieli fauny mogłoby nas wprawić w zdumienie, szczególnie to, czym oddychają, co wydalają, czym się żywią, na co polują. Jakie mają zakodowane zachowania, dlaczego niektóre zjadają własne potomstwo, jakie mają techniki obrony czy kulturę prokreacji… Czy takie stworzenia są prymitywne, czy wręcz przeciwnie? Jak długo żyją? Czy można je zjeść i to przeżyć? W jakim stopniu są niebezpieczne? Zagrażają nam, czy wręcz wpływają na rozwój medycyny? Zwierzęta, które na co dzień nam towarzyszą, specjalnie nie wzbudzają w nas szoku, ale już świat owadów, pajęczaków, stawonogów, głowonogów czy mięczaków – owszem, zdarza się.

Jednym z ciekawszych mechanizmów u niektórych zwierząt są barwniki oddechowe, które – mówiąc zwięźle – stanowią magazyn tlenu lub służą do jego transportu do ukrytych części ciała (nie pytajcie mnie o jakie części ciała chodzi). Ale uwaga! My ludzie również mamy własne barwniki oddechowe!

Zwierzęta niemające płuc czy skrzeli musiały sobie w jakiś sposób ewolucyjnie wykształcić mechanizmy oddechowe. Wiele z nich żyje głęboko w wodzie, w temperaturze tak niskiej, że trudno nam to sobie wyobrazić. 

Dlatego też barwniki oddechowe są to białka złożone, które należą do grupy metaloprotein. Składają się z części białkowej oraz niebiałkowej. W skład części niebiałkowej wchodzą jony lub atomy metali – miedzi albo żelaza. 

My, ludzie, podobnie jak inne zwierzęta kręgowe, też mamy własne barwniki oddechowe, które zlokalizowane są w erytrocytach (krwinkach czerwonych). Jest to hemoglobina oraz obecna w mięśniach poprzecznie prążkowanych mioglobina.

Tak jak w organizmie ludzkim do transportu tlenu służą atomy żelaza, tak w organizmie ślimaków i innych niebieskich zwierząt do transportu tlenu służą atomy miedzi.

Niektóre zwierzęta bezkręgowe, takie jak np.: pierwotniaki, gąbki i parzydełkowce nie mają barwników oddechowych. Są to istoty małych rozmiarów o wolnym metabolizmie żyjące w warunkach wystarczającej ilości tlenu, więc nie muszą być wyposażone w barwniki oddechowe. Jednak u większości bezkręgowców białka te występują – głównie w postaci rozpuszczonej w osoczu lub hemolimfie. Najbardziej rozpowszechnionymi barwnikami u bezkręgowców są hemoglobina i hemocyjanina. 

Hemocyjanina – antybakteryjna niebieska krew

Wielokrotnie podczas górskich wędrówek spotykałam na szlaku nagie ślimaki koloru fioletowego. Naiwnie sądziłam, że po prostu najadły się jagód. Jakież było moje zdziwienie, kiedy na takie stworzenia natrafiałam przed czasem owocowania krzaczków. A potem jeszcze widziałam ślimaki cudownego, lazurowego koloru. Teraz już wiem, że za niebieskie odcienie niektórych zwierzaków odpowiada barwnik oddechowy zwany hemocyjaniną, która, podobnie jak hemoglobina u ludzi, jest odpowiedzialna za transport tlenu we krwi. Hemocyjanina występuje u rozmaitych stworzeń wodnych, np. u ośmiornic. Zagadką jest, jak ośmiornica oddycha w temperaturze zamarzania (poniżej zera) i potrafi pobrać tlen w wodzie o temperaturze nawet ponad dwudziestu kilku stopni. 

Hemocyjaniny to duże białka zawierające jony miedzi i pełniące funkcję transportera tlenu w hemolimfie wielu przedstawicieli stawonogów (Arthropoda) oraz mięczaków (Mollusca). 

Ciekawostka

Jeden z rodzajów hemocyjaniny jest używany jako nośnik szczepionek, a także wykorzystuje się go w badaniach nad ludzkim układem immunologicznym i rakiem. Wytworzenie molekuły hemocyjaniny w laboratorium nie jest możliwe, gdyż jest zbyt duża i złożona. Jedyne źródło tego rodzaju hemocyjaniny to izolowanie jej ze skrzypłocza, o czym opowiem w dalszej części artykułu.

Antybakteryjny wpływ miedzi

W hemolimfie niektórych mięczaków czy stawonogów płynie błękitna krew, która jest zasługą atomów miedzi obecnych w cząsteczce hemolimfy, która staje się niebieska w momencie przenoszenia atomu tlenu. Naukowcy wykorzystują hemocyjaniny w celach medycznych.

Sama miedź zresztą stosowana jest w medycynie, ponieważ znane są jej właściwości bakteriobójcze. Badania wykazały, że pierwiastek ten niszczy szkodliwe bakterie, drobnoustroje, patogeny, pleśnie, grzyby i wirusy, które wchodzą w kontakt z miedzianymi narzędziami. W niektórych placówkach medycznych oraz w sektorach zdrowia publicznego przyjmujących pacjentów szczególnie narażonych na działanie drobnoustrojów, montowane są instalacje miedziane.

Naukowcy poszli o krok dalej. Upatrzono sobie stawonoga skrzypłocza (Limulus polyphemus), z którego pozyskuje się hemocyjaninę.

Foto: Akwarium Gdyńskie MIR – PIB

Cechą istotną tej krwi jest obecność miedzi, dzięki której wydzielina jest jałowa i wolna od patogenów. Błękitna krew zachowuje swe antybakteryjne właściwości nawet rozcieńczona w pewnej ilości jałowej destylowanej wody.

Skrzypłocze – niewolnicy w służbie medycyny i farmacji

Skrzypłocze  wykorzystują hemocyjaninę do przenoszenia tlenu przez swoją krew, która ze względu na obecną miedź jest niebieska. Ich krew zawiera amebocyty pełniące podobną funkcję jak nasze białe krwinki w obronie organizmu przed patogenami. 

Amebocyty uczestniczą w procesach obronnych (fagocytoza) i wydalniczych organizmu oraz w trawieniu wewnątrzkomórkowym.

Amebocyty z krwi skrzypłoczy wykorzystywane są do wytwarzania lizatu amebocytów Limulus (LAL), który jest używany do wykrywania endotoksyn bakteryjnych w zastosowaniach medycznych. Testy na bazie krwi skrzypłoczy stosowane są w przemyśle farmaceutycznym do kontroli czystości mikrobiologicznej leków, szczepionek, rozruszników i implantów.

Krew skrzypłoczy specyficznie reaguje na endotoksyny produkowane przez bakterie Gram-ujemne. W kontakcie z nimi natychmiast wytwarzana jest galaretowata skrzeplina, czyli agregat obronny, który otacza drobnoustroje, natychmiast je niszcząc. Agregaty te tworzą także barierę chroniącą skrzypłocza przed wykrwawieniem w przypadku zranienia oraz stanowią fizyczną ochronę przed dalszymi zakażeniami.

Istnieje duże zapotrzebowanie na krew skrzypłoczy. Są one zabierane ze środowiska wodnego, wykrwawiane i następnie wypuszczane z powrotem do morza. W tym celu rocznie zbiera się około 500 000 skrzypłoczy. Niektórzy naukowcy podejrzewają, że skrzypłocze wcale nie wracają do morza, lecz są sprzedawane jako przynęty na ryby.  

Większość zwierząt przeżywa ten proces; śmiertelność jest skorelowana zarówno z ilością krwi pobranej od pojedynczego zwierzęcia, jak i stresem doświadczanym podczas obsługi i transportu.

Szacunki dotyczące śmiertelności po pobraniu krwi wahają się od 3 do 30 proc. Te zwierzęta, które przeżyły, utraconą krew regenerują po około 3 miesiącach. Krwawienie może również uniemożliwić samicom skrzypłoczy wykonanie tarła lub zmniejsza liczbę złożonych jaj.

Gatunek zagrożony wyginięciem

W czerwonej księdze gatunków zagrożonych skrzypłocz ma status VU, co oznacza, że jest narażony na wyginięcie lub może wymrzeć w niedługim czasie. Skrzypłocze zamieszkiwały Ziemię na 200 mln lat przed dinozaurami, przetrwały zlodowacenia, masowe wymieranie, katastrofy kosmiczne. Czy przetrwają ludzką działalność?

Obecnie ze względów etycznych zbiory krwi ze skrzypłocza zostały mocno ograniczone, tym bardziej, że naukowcy z Uniwersytetu Kyushu w 1986 roku wyizolowali czynnik krzepnięcia (rFC) z krwi skrzypłocza o takich właściwościach jak sama krew, więc eksploatacja tego zwierzęcia nie wydaje się dalej konieczna. W 2003 roku pojawił się po raz pierwszy syntetyczny izolowany rFC, który został opatentowany. To zapoczątkowało ograniczenie praktyk pobierania krwi ze skrzypłoczy.

A wszystko to dzięki miedzi…

Czy nie nasuwa się wniosek, że tajnym składnikiem błękitnej krwi skrzypłoczy jest miedź? Jeśli tak, to wydaje się zasadne niewykorzystywanie tych zwierząt.

Zapraszam do lektury kolejnego artykułu, w którym omówię zalety naczyń miedzianych.

Opracowała Agata Majcher

Bibliografia

Biuletyn Wydziału Farmaceutycznego Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego, Roślinne związki barwne ich właściwości biologiczne oraz możliwości wytwarzania w kulturach In vitro; Bołonkowska O.; Pietrosiuk A.; Sykłowska-Baranek K.; Warszawa 2011

Repozytorium Uniwersytetu Jagiellońskiego, Hemocyjaniny, heksameryny i białka pokrewne stawonogów (Arthropoda), Ciemięga E., Kraków 2019

https://copperalliance.pl, Miedź dla życia: hemocyjanina

https://www.alnor.com.pl Antybakteryjne właściwości miedzi

https://www.medianauka.pl/skrzyplocz Skrzypłocz

https://akwarium.gdynia.pl/ DIY | Skrzypłocz… honorowy krwiodawca