Погружение в историю открытий в физиологии и медицине заставило меня задуматься, как врачи ставили диагноз своим пациентам до того, как у них на вооружении появился микроскоп? Наверное, это было чрезвычайно трудно и требует отдельного рассказа, но на этот раз будем выяснять, каким образом сформировалась отрасль клинических исследований – микроскопия, а именно микроскопия крови, а также какие события и учёные повлияли на этот процесс.

Сегодня практически каждый знает, что первым и элементарным этапом любого обследования является общий анализ крови, и только микроскопическое исследование её образцов даёт врачу возможность составить предварительное представление о состоянии здоровья пациента.

О том, из чего состоит кровь, люди смогли узнать после того, как в 1590 году голландские мастера по изготовлению очков, отец и сын, Ганс и Захария Яннсены, сконструировали особую комбинацию линз, которая давала возможность 10-кратного увеличения изображения предметов. Эта технология позволила создать в 1609 году первые модели телескопов и микроскопов, и не кому-нибудь, а самому Галилео Галилею (1564–1642) – выдающемуся итальянскому астроному и физику.

Гениальные умы своего времени всегда проявляли заинтересованность прогрессивными методами исследования с использованием новой техники. Не стал в этом смысле исключением и микроскоп. Совершенствованием нового оптического прибора после Галилео Галилея, приоритетом для которого всё же были телескопы, занялся не менее выдающийся английский натуралист, изобретатель и основатель экспериментальной физики Роберт Гук (1635–1703). Вооружённый более чем 100-кратным оптическим увеличением, он наблюдал и дал описание клеточной структуры растений. Именно Р. Гук предложил термин «клетка» (лат. сella – «маленькая комната», греч. Κΰτος kytos «сосуд») и сформулировал, что она является основной строительной единицей живого организма. О своих микроскопических исследованиях и открытиях в этой области английский учёный выпускает в 1665 году книгу «Микрография», что положило начало развитию микроскопии как науки.

Эта книга стала бестселлером своего времени и вызвала большой резонанс среди естествоиспытателей. После её прочтения микроскопист-любитель Антоний ван Левенгук (1632–1723) окончательно забросил галантерейное дело, которым занимался с детства, и навсегда посвятил себя изучению мелких объектов природы под микроскопом. Освоенная им самостоятельно шлифовка линз и создание из них новых конструкций позволило Левенгуку рассматривать микрообъекты с 500-кратным увеличением. Среди множества открытий, признанных впоследствии Лондонским Королевским обществом, в ряды которого он был избран в 1680 году, голландскому исследователю принадлежит открытие красных «корпускул» (тельца круглой формы) крови человека, которые он зарисовал и подробно описал в 1695 году. Красные кровяные шарики впоследствии были названы эритроцитами (греч. еrуthrós, «красный», κΰτος kytos «сосуд», «клетка»).

Благодаря Антонию Левенгуку стало понятно, что цвет крови дают именно эритроциты, то есть то, чем они заполнены. Но чем именно?

В 1826 году немецкий химик Иоганн Фредерик Энгельгардт обнаружил, что красный цвет крови придаёт некоторое вещество. Учёный выяснил, что оно принадлежит к семейству соединений, известных ещё с XVIII века под общим названием «альбумины» (от лат. аlbumen (яичный) белый, тот, что красит яйца в белый цвет, еiweisskörper «белковые тела»), а их главным свойством была способность к коагуляции, то есть склеиванию мелких частиц между собой с образованием больших сгустков.

Самое интересное, что вещество, обнаруженное Йоганом Энгельгардтом в крови, содержало железо! Вот откуда этот её красный цвет. А поскольку атомная масса железа была в то время известна, то учёный вычислил молекулярную массу всего вещества и представил её в принятых на то время единицах атомных масс 16000*n. Кстати, таблицу атомных масс составил в 1818 году выдающийся шведский химик и один из основателей современной химии Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848). Как считал Энгельгардт, масса молекулы этого вещества была кратна числу атомов железа в ней (число n в формуле), но точно определить это число не смог. Тогда такой вывод немецкого химика вызвал насмешки со стороны коллег и был назван ими «поспешным». Но через 100 лет это предположение было полностью подтверждено. Кроме того, немецкий учёный-химик установил, что соотношение железа и остальной части молекулы у разных видов позвоночных одинаково.

В 1839 году было покончено с неопределённостью в названии семейства «альбуминов». Голландский биохимик Герардус Йохансен Мульдер (1802–1880) впервые описал химический состав, а также вывел эмпирическую формулу этих соединений и начал использовать для них название «протеины», или «белки». О точном происхождении и значении этого термина общего мнения не существует, но Мульдер, скорее всего, имел в виду «самый простой» или «простейший», поскольку в составе всех исследованных им соединений этого класса повторялся один и тот же набор химических элементов: углерод, водород и кислород. Учёный почти точно установил состав этих веществ за исключением некоторого различия в количестве серы и фосфора задолго до установления в середине ХХ века полимерной природы белков немецким химиком Германом Штаудингером (1881–1965), за что ему была присуждена Нобелевская премия по химии в 1953 году.

Но вернёмся вновь на 100 лет назад. В 1840 году ещё один немецкий физиолог и химик Фредерик Людвиг Гюнефельд в своей книге «Химизм в организации животных» подробно описал физико-химические исследования животной жизнеобразующей материи, в частности, он изложил процесс кроветворения, природу клеток крови и их ядер, а также сформулировал главное своё наблюдение: красные кровяные тельца поглощают кислород! Гюнефельд понял, что вещество, красные остроугольные кристаллы которого в сухих препаратах крови он наблюдал под микроскопом – это железосодержащий белок, соединение, описанное несколько ранее его соотечественником Иоганном Энгельгардтом.

Детальное изучение этого железосодержащего белка эритроцитов провёл в начале 1860-х годов другой немецкий химик, физиолог, основатель современной биохимии и молекулярной биологии, автор первых учебников по этой дисциплине, Эрнест Эммануэль Феликс Гоппе-Зейлер (1825–1895). Похоже, что это фундаментальное исследование не было случайным потому, что Феликс Гоппе-Зейлер за 10 лет до этого работал в университете немецкого города Грайсвальд вместе с Фредериком Гюнефельдом и также заинтересовался протеином крови с необычной функцией.

Надо сказать, что в 1859 году в науке окончательно сформировался метод спектрального анализа, основанный на изучении взаимодействия материи и излучения, что позволяет определить количественный и качественный состав вещества. Это произошло благодаря работам двух выдающихся немецких учёных: физика Густава Кирхгофа и химика Роберта Бунзена. Используя специальный прибор, спектрограф, они изучили оптический спектр пламени, в который вносили различные химические соединения, и установили, что каждый элемент имеет свой характерный линейчатый спектр (набор цветных полос в оптическом диапазоне). Этот метод позволяет определить наличие вещества в соединениях, даже если оно присутствует в малых количествах.

Феликс Гоппе-Зейлер одним из первых использовал этот новаторский метод для определения химических элементов в молекуле белка эритроцитов человека, описал его оптический спектр поглощения и показал наличие двух характерных полос, что указывает на присутствие в молекуле двух частей: белковой и небелковой, в состав последней и входит железо. Эта небелковая составляющая молекулы эритроцитов и придаёт крови красный цвет, за что получила название гем (от др.-греч ἁίμα - кровь). Как выяснилось со временем, гем входит в состав молекул и других соединений. А в составе эритроцитарного белка атом гемового железа связывается с кислородом. Более того, это связывание обратимое, то есть молекула может как присоединять молекулярный кислород, так и высвобождать его.

Как видите, И. Энгельгардт и Ф. Хюнефельд оказались правы! Исследования Феликса Гоппе-Зейлера подтвердили их ранние предположения о строении и функциях белка эритроцитов. Поскольку его молекула имеет форму шара, а такие белки объединены в группу под названием «глобулины», то Гоппе-Зейлер и назвал этот протеин гемоглобином, (гемсодержащий глобулин). Доскональное изучение гемоглобина показало, что он состоит из четырёх одинаковых субъединиц, каждая из которых содержит гем, то есть одна молекула имеет 4 кислород связывающих участка.

Так вот в чём дело! В эритроцитах находится железосодержащий белок, гемоглобин, который имеет красный цвет и обратимо связывает кислород воздуха! Это и есть одна из основных функций крови – перенос кислорода от дыхательных путей (лёгкие) по кровеносным сосудам в другие органы и ткани.

После того, как исследования Феликса Гоппе-Зейлера расставили точки над «i» в вопросе с функцией эритроцитов и гемоглобина как переносчика кислорода в организме, стало понятно, что такое заболевание, например, как анемия, или малокровие, связано со снижением количества как этого белка, так и клеток, которые его содержат.

Теперь встал вопрос о необходимости определять уровень гемоглобина в крови. Метод определения этого показателя разработал английский врач Уильям Ричард Говерс в 1878 году. Кстати, метод Говерса лежит в основе современного определения гемоглобина, только для этого используется автоматический прибор, а для определения нужно всего несколько капель капиллярной крови.

Но вернёмся к изучению состава крови. За время, прошедшее с момента открытия эритроцитов и установления их роли, состоялось ещё несколько важных событий на этом важном и нелёгком пути. В 1842 году француз Альфред Франсуа Донни (1801–1878), врач общественного здравоохранения и заядлый микроскопист, обнаружил и описал ещё один форменный элемент крови – плоские частицы (пластинки), обладавшие высокой способностью склеиваться и образовывать тромб в месте кровотечения (система свертывания крови подробно описана в статье об открытии витамина К). В связи с этой способностью частицы назвали тромбоцитами (от греч. Θρόμβος – сгусток и κύτος – клетка; устаревшее название – кровяные пластинки).

Увлечённость Альфреда Донни микроскопией, как точным методом изучения биологического материала для установления диагноза, была настолько глубокой, что он, несмотря на скептическое отношение коллег, проводил вечерние занятия по использованию микроскопа в медицинской практике, которые посещали не только французские студенты-медики, но и иностранные. Среди них был Джон Хьюз Беннетт (1812–1875), врач из Эдинбурга (Шотландия), который несколько лет учился в Донни, помог своему учителю организовать в Париже Медицинское англоязычное общество и стать его первым президентом. А по возвращении на родину в 1841 году все полученные знания и накопленный опыт опубликовал в книге об использовании микроскопа для диагностики заболеваний.

В 1843 г. два профессора медицины – французский Габриэль Андраль (1797–1876), и британский Уильям Аддисон (1802–1881, не путать с Томасом Аддисоном (1793–1860), основателем эндокринологии, именем которого названы два описанных им заболевания – патология надпочечников и тяжёлая форма анемии!!) – одновременно публикуют работы с сообщениями о том, что в крови человека обнаружены клетки, не обладающие, в отличие от эритроцитов, какой-либо характерной окраской. По этой причине они получили название «лейкоциты» (греч. Λευκός – белый).

Итак, после описанных выше открытий, стало понятно, что кровь состоит из жидкой среды – плазмы (от греч. пλάσμα «что-то сформированное, образованное») и суспедированных (взвешенных) в ней форменных элементов (лейкоцитов, эритроцитов и тромбоцитов), а при различных заболеваниях форма и количество клеток крови меняются!

Первые подробные описания заболевания с такой картиной были опубликованы в 1845 году одновременно двумя учёными: в Шотландии вышеупомянутым Дж. Беннеттом и в Германии Рудольфом Вирховом (1821–1902). Обе книги были посвящены злокачественной патологии крови – лейкемии, при которой наблюдается аномальное уменьшение количества лейкоцитов.

В этом месте надо обязательно остановиться и сказать несколько слов о Рудольфе Вирхове. Он был не просто выдающимся врачом, учёным и политическим деятелем второй половины XIX века. Вирхов вошёл в историю науки как реформатор, создавший клеточную теорию в биологии и теорию клеточной патологии в медицине. Согласно этой теории в основе любого заболевания лежит нарушение нормальной жизнедеятельности мелких структур организма – клеток. Положения клеточной патологии, подкреплённые успехами физиологии и химии, навсегда освободили медицину от необоснованных и абстрактных гипотез, а также определили её как часть естествознания.

Вирхов был блестящим лектором и с энтузиазмом передавал знания своим многочисленным ученикам, многие из которых внесли огромный вклад в медицину и биохимию. Среди них в разное время были те, с именами которых мы встречались в рассказах по истории биологической науки, это и упомянутый выше Феликс Гоппе-Зейлер, автор первого учебника по биологической химии, и Михаэль Антон Бирмер, врач-исследователь пернициозной анемии (история об открытии витамина В₁₂, «Ход В₁₂»)!

Все эти события заложили фундамент нового направления медицинской науки, изучающей кровь и её болезни, – гематологии. Несмотря на успехи в развитии молодой области медицины, а также на то, что в это время уже были известны некоторые реактивы для окраски тканей и клеток (йод, суфрон и аммиак-кармин), особого прогресса в изучении морфологии (формы и размера) клеток крови не наблюдалось ещё около 30 лет. Прорыв в окончательном формировании гематологии как науки осуществил уже известный нам по предыдущим историям выдающийся немецкий учёный-биолог Пауль Эрлих (1854–1915), будущий Нобелевский лауреат, а на тот момент, в 1879 году, молодой 25-летний доктор медицины. Он разработал и опубликовал методику окрашивания тонкослойных препаратов крови и свой метод дифференциального подсчёта кровяных клеток!

Используя свои красители, П. Эрлих установил наличие различных форм лейкоцитов. Собственно говоря, в эту группу объединили все клетки крови, которые не имеют окраски. Но постепенно, изучая всё их разнообразие, гематологи пришли к выводу, что лейкоциты отличаются по происхождению, функциям и внешнему виду. Часть из них стоит на страже нашего здоровья, захватывает и переваривает чужеродные объекты (бактерии, патогенные микроорганизмы, микроскопические грибы), которые попадают в организм. За такую способность первооткрыватель явления Илья Ильич Мечников назвал эти клетки фагоцитами (с древ. греч. фαγεῖν «пожирать» + κύτος «клетка») и сформулировал клеточную (фагоцитарную) теорию иммунитета.

Другая часть белых клеток крови также делает свой вклад в защиту организма от болезней, производя особые вещества, которые вступают в непосредственный контакт с токсичными для организма белками, продуктами жизнедеятельности вирусов и бактерий. То есть, все лейкоциты, как выяснилось, не зря объединили в одну группу, они являются частью иммунной системы нашего организма, а разделение на виды обусловлено участием в обеспечении защиты на определённых, строго закреплённых за ними участках.

Теорию о таких защитных свойствах крови, получивших название гуморального (жидкостного) иммунитета, сформулировал уже Пауль Эрлих и в 1891 году ввёл термин «антитело» для определения молекул, производимых определённым типом лейкоцитов для прямого и специфического связывания с чужеродными белками, что приводит к полной нейтрализации их токсических свойств.

О том, как у выдающегося немецкого учёного родилась эта теория, надо рассказать отдельно. В середине 1870-х годов весь научный мир находился под впечатлением сенсационных открытий двух гениальных микробиологов, Луи Пастера (Франция) и Роберта Коха (Германия) – учёных, которые открыли эру изучения инфекционных болезней. Роберт Кох открыл возбудителей сибирской язвы, холеры и туберкулёза, а Луи Пастер разработал научные принципы вакцинации и сами вакцины против сибирской язвы и бешенства.

Пауль Эрлих только начинал свою медицинскую и научную карьеру, увлечённый этими громкими событиями в биологической науке, и мечтал проявить себя в борьбе с болезнетворными микроорганизмами. Во время учёбы в университете он занимался, как мы уже упоминали, разработкой красителей для микроскопии. Сначала ему поручили окрасить колонии бактерий, прикреплённых к покровному стеклу, затем ткани животных, погибших от инфекционных болезней. И здесь Эрлиха осенило, что краситель можно ввести в живой организм, который, возможно, свяжется с возбудителем болезни. Он ввёл больному кролику красящее вещество, метиленовый синий, но, к сожалению, бедное животное умерло. Молодой врач провёл вскрытие и к своему удивлению обнаружил, что окрасились только нервы и мозг.

Именно тогда родилась гениальная идея: если краситель прикрепляется к конкретной клетке, а посторонние вещества, в частности свинец, попадая в организм, оседают в других тканях, то можно создать вещество, которое будет связываться с болезнетворными микроорганизмами и сделает их безопасными. Но оказалось, что и сам организм вырабатывает такие вещества, а принцип связывания одного объекта с определённым другим объектом лёг в основу механизма рецепции (от лат. recipio – принимаю, воспринимаю). Надо обязательно отметить, что в 1890 году сам Роберт Кох, познакомившись с публикациями Пауля Эрлиха, пригласил его на должность своего ассистента в Институте инфекционных болезней.

Важным вкладом П. Эрлиха в гематологию было также открытие значения костного мозга для образования клеток крови, описание определённых форм лейкозов и создание первой теории кроветворения, дуалистической, согласно которой процесс образования кровяных клеток протекает в костном мозге (миелоидная система) и лимфе (лимфоидная система).

Но что же такое система кроветворения и в чём ее предназначение?

Все клетки крови имеют своё ограниченное время жизни (от нескольких дней до нескольких лет), которое определяется функциями каждого их вида. Кроме того, по разным причинам возможна потеря крови. И поэтому для поддержания нормального состояния этой жидкой ткани организма необходимо её постоянное обновление – образование новых клеток. Такой процесс называется кроветворением, или гемопоэзом, и проходит в костном мозге, лимфатических узлах и селезёнке, трёх органах, объединённых в кроветворную систему.

Образование новых клеток крови – сложный многостадийный процесс формирования взрослой полноценной клетки (эритроцита, лейкоцита и тромбоцита), которая способна чётко выполнять свои функции, из клетки-предшественника, бласта, (греч. вlastos – росток, зародыш). Бласты вообще не обладают никакими возможностями, кроме одной – делиться и синтезировать необходимые протеины. Эти клетки-зародыши по размерам превышают взрослые особи в 10 раз и отличаются от них по строению. После окончательного созревания в кроветворных органах в общий кровоток выпускаются только взрослые особи.

При определённых заболеваниях в организме нарушается правильный процесс кроветворения и в кровь попадают неполноценные (незрелые) клетки, неспособные к выполнению возложенных на них обязанностей для поддержания нормального функционирования организма как целостной системы. Именно по наличию, количеству и соотношениям зрелых и незрелых клеток в окрашенных препаратах крови врачи могут определить различные гематологические заболевания.

Так, при лейкемии и В₁₂-дефицитной анемии нарушается процесс кроветворения, и в периферической крови пациентов с этими диагнозами наблюдается большое количество бластов, незрелых лейкоцитов и эритроцитов. Другие формы анемии (например, вызванная дефицитом железа в организме) также определяют по количеству эритроцитов и гемоглобина в крови. Повышение общего количества лейкоцитов связано с воспалением при различных инфекциях, аллергических реакциях и болезнях внутренних органов. Кроме того, любая патология приводит к повышению скорости оседания эритроцитов (СОЭ). Количество тромбоцитов – показатель свертываемости крови, снижение которого приводит к риску возникновения кровотечений, а повышение, наоборот, – к тромбозу, то есть к возможности инфарктов и инсультов.

Это лишь небольшой перечень заболеваний и характерных для них изменений в количестве и форме клеток крови. А успехи современной гематологии и клинической микроскопии дают в руки врачей мощное оружие для диагностики и выбора стратегии лечения заболеваний.

О.А. Гудкова, младший научный сотрудник, Институт биохимии им. А.В. Палладина НАН Украины