Sang artificiel: matériel, utilisation, traitement, composants, procédure

Sang artificiel

Le sang artificiel est un produit conçu pour remplacer les globules rouges. Alors que le vrai sang remplit de nombreuses fonctions différentes, le sang artificiel est conçu dans le seul but de transporter l’oxygène et le dioxyde de carbone dans tout le corps. Selon le type de sang artificiel, il peut être produit de différentes manières en utilisant une production synthétique, une isolation chimique ou une technologie biochimique recombinante. Le développement des premiers substituts de sang remonte au début des années 1600 et la recherche du substitut de sang idéal se poursuit. Divers fabricants ont des produits en cours d’essais cliniques;Cependant, aucun produit sanguin artificiel vraiment sûr et efficace n’est actuellement commercialisé. Il est prévu que lorsqu’un produit à base de sang artificiel sera disponible, ses ventes annuelles dépasseront 7,6 milliards de dollars aux seuls États-Unis.

Contexte

Le sang est un type particulier de tissu conjonctif composé de globules blancs, de globules rouges, de plaquettes et de plasma. Il a une variété de fonctions dans le corps. Le plasma est le matériau extracellulaire composé d’eau, de sels et de diverses protéines qui, avec les plaquettes, favorise la coagulation du sang. Les protéines plasmatiques réagissent avec l’air et se durcissent pour empêcher tout saignement ultérieur. Les globules blancs sont responsables de la défense immunitaire. Ils recherchent des organismes ou des matériaux envahissants et minimisent leurs effets sur le corps.

Les globules rouges dans le sang créent la couleur rouge vif. Deux gouttes de sang contiennent environ un milliard de globules rouges. Ces cellules sont responsables du transport de l’oxygène et du dioxyde de carbone dans tout le corps. Ils sont également responsables du phénomène de « dactylographie ». Sur les membranes de ces cellules se trouvent des protéines que le corps reconnaît comme étant les siennes. Pour cette raison, une personne ne peut utiliser que du sang compatible avec son type. Actuellement, les produits sanguins artificiels ne sont conçus que pour remplacer la fonction des globules rouges. Il serait peut-être même préférable d’appeler les produits en cours de développement, des transporteurs d’oxygène plutôt que du sang artificiel.

L’histoire

Les remplacements de sang sont nécessaires depuis aussi longtemps que les patients saignent à mort à cause d’une blessure grave. Selon le folklore médical, les anciens Incas seraient responsables des premières transfusions de sang enregistrées. Aucun progrès réel n’a été accompli dans le développement d’un substitut du sang avant 1616, lorsque William Harvey a décrit la circulation du sang dans tout le corps. Dans les années à venir, les praticiens de la médecine ont essayé de nombreuses substances comme la bière, l’urine, le lait, les résines végétales et le sang de mouton en remplacement du sang. Ils avaient espéré que changer le sang d’une personne pourrait avoir différents effets bénéfiques, comme soigner des maladies ou même changer une personnalité. Les premières transfusions de sang humain ont été effectuées avec succès en 1667. Malheureusement, cette pratique a été interrompue en raison du décès des patients qui ont reçu des transfusions ultérieures.

Parmi les différents matériaux qui ont été essayés comme substituts du sang au fil des ans, seuls quelques-uns ont rencontré un succès minimal. Le lait était l’un des premiers de ces matériaux. En 1854, on injecta du lait aux patients pour traiter le choléra asiatique. Les médecins croyaient que le lait aidait à régénérer les globules blancs. En fait, un nombre suffisant de patients recevant du lait comme substitut du sang a semblé s’améliorer, ce qui a permis de conclure qu’il s’agissait d’une procédure de remplacement du sang sûre et légitime. Cependant, de nombreux pratiquants sont restés sceptiques et les injections de lait n’ont jamais attiré l’attention. Bientôt, il a été jeté et oublié pour remplacer le sang.

Un autre substitut potentiel était le sel ou les solutions salines. Lors d’expériences sur des grenouilles, les scientifiques ont découvert qu’ils pourraient les maintenir en vie s’ils retiraient tout leur sang et le remplaçaient par une solution saline. Ces résultats étaient toutefois un peu trompeurs, car il a été déterminé par la suite que les grenouilles pourraient survivre pendant une courte période sans aucune circulation sanguine. Après de nombreuses recherches, la solution saline a été développée sous la forme d’une extension de volume plasmatique.

L’hémoglobine et le plasma animal ont également été testés au cours des années 1800. En 1868, des chercheurs ont découvert que des solutions contenant de l’hémoglobine isolée à partir de globules rouges pouvaient être utilisées comme substituts du sang. En 1871, ils ont également examiné l’utilisation du plasma et du sang d’animaux comme substituts du sang humain. Ces deux approches étaient entravées par d’importants problèmes technologiques. Premièrement, les scientifiques ont trouvé difficile d’isoler un grand volume d’hémoglobine. Deuxièmement, les produits d’origine animale contenaient de nombreuses substances toxiques pour l’homme. L’élimination de ces toxines était un défi au XIXe siècle.

Une avancée significative dans le développement du sang artificiel intervient en 1883 avec la création de la solution de Ringer, une solution composée de sels de sodium, de potassium et de calcium. Lors de recherches utilisant une partie du cœur d’une grenouille, des scientifiques ont découvert qu’il était possible de faire battre le cœur en appliquant la solution. Cela a finalement conduit à des conclusions selon lesquelles la solution de Ringer pouvait restaurer la réduction de la pression artérielle provoquée par une perte de volume sanguin. Ce produit a évolué pour devenir un produit humain lorsque du lactate a été ajouté. Bien qu’elle soit encore utilisée aujourd’hui comme extenseur du volume sanguin, la solution de Ringer ne remplace pas l’action des globules rouges, elle n’est donc pas un véritable substitut du sang.

Karl Landsteiner

Karl Landsteiner

Karl Landsteiner, surnommé le père de l’immunologie, était le fils unique de Leopold Landsteiner, journaliste et rédacteur en chef autrichien réputé, et de Fanny Hess Landsteiner. Landsteiner a fait ses études à l’Université de Vienne, où il a obtenu son diplôme de médecine en 1891. Au cours de ses études en médecine, Landsteiner a commencé un travail expérimental en chimie, car il était grandement inspiré par Ernst Ludwig, l’un de ses professeurs. Après avoir obtenu son diplôme de médecine, Landsteiner passa les cinq années suivantes dans le domaine de la recherche avancée en chimie organique pour Emil Fischer, bien que son intérêt principal fût la médecine. En 1886-1897, il a combiné ses intérêts à l’Institut d’hygiène de l’Université de Vienne, où il a effectué des recherches en immunologie et en sérologie. L’immunologie et la sérologie sont ensuite devenues le principal objectif de Landsteiner. Landsteiner était principalement intéressé par le manque de sécurité et d’efficacité des transfusions sanguines. Avant son travail, les transfusions sanguines étaient dangereuses et sous-utilisées car le sang du donneur coagulait fréquemment chez le patient. Landsteiner était intriguée par le fait que, lorsque le sang de différents sujets était mélangé, le sang ne coagulait pas toujours. Il croyait qu’il y avait des similitudes biochimiques intrinsèques et des dissimilarités dans le sang.

En utilisant des échantillons de sang de ses collègues, il a séparé les cellules du sang de son sérum et suspendu les globules rouges dans une solution saline. Il a ensuite mélangé le sérum de chaque individu avec un échantillon de chaque suspension de cellules. La coagulation s’est produite dans certains soins; dans d’autres, il n’y avait pas de coagulation. Landsteiner a déterminé que les êtres humains pouvaient être séparés en groupes sanguins en fonction de la capacité de leurs globules rouges à se coaguler en présence de différents sérums. Il a nommé ses groupes sanguins de classification A, B et O. Un quatrième groupe AB a été découvert l’année suivante. Le résultat de ce travail a été que le patient et le donneur pouvaient être préalablement typés sanguins, faisant de la transfusion sanguine une pratique médicale sûre et courante. Cette découverte a finalement valu à Landsteiner le prix Nobel de 1930 en physiologie ou en médecine.

La recherche sur les transfusions sanguines n’a pas progressé jusqu’à ce que les scientifiques développent une meilleure compréhension du rôle du sang et des problèmes liés à sa fonction dans l’organisme. Pendant la Première Guerre mondiale, une solution de gomme salée contenant de l’acide galactoso-gluconique a été utilisée pour étendre le plasma. Si la concentration, le pH et la température étaient ajustés, ce matériau pourrait être conçu pour correspondre à la viscosité du sang total, permettant ainsi aux médecins d’utiliser moins de plasma. Dans les années 1920, des études ont suggéré que cette solution de gomme avait des effets négatifs sur la santé. Dans les années 1930, l’utilisation de ce matériau avait considérablement diminué. La Seconde Guerre mondiale a ravivé l’intérêt pour la recherche de sang et de substituts du sang. Le plasma provenant d’humains était couramment utilisé pour remplacer le sang et préserver les soldats d’un choc hémorragique. Cela a finalement conduit à la création de banques de sang par la Croix-Rouge américaine en 1947.

En 1966, des expériences sur des souris ont suggéré un nouveau type de substitut du sang, les perfluorochimiques (PFC). Ce sont des polymères à longue chaîne similaires au téflon. Il a été constaté que les souris pouvaient survivre même après avoir été immergées dans le PFC. Cela a donné aux scientifiques l’idée d’utiliser le PFC comme anticoagulant. En 1968, l’idée a été testée sur des rats. Le sang du rat a été complètement retiré et remplacé par une émulsion de PFC. Les animaux ont vécu quelques heures et se sont complètement rétablis après le remplacement de leur sang.

Cependant, le système de banque de sang établi a si bien fonctionné que la recherche sur les substituts du sang a faibli. Il a suscité un regain d’intérêt lorsque les faiblesses du système de banque de sang ont été découvertes lors du conflit au Vietnam. Cela a incité certains chercheurs à rechercher des solutions d’hémoglobine et d’autres transporteurs d’oxygène synthétique. La recherche dans ce domaine a été encore renforcée en 1986 quand on a découvert que le VIH et l’hépatite pouvaient être transmis par transfusion sanguine.

Conception

Le produit sanguin artificiel idéal présente les caractéristiques suivantes. Premièrement, son utilisation doit être sûre et compatible avec le corps humain. Cela signifie que les différents types de sang ne doivent pas importer lorsqu’un sang artificiel est utilisé. Cela signifie également que le sang artificiel peut être traité pour éliminer tous les agents pathogènes tels que les virus et les micro-organismes. Deuxièmement, il doit pouvoir transporter l’oxygène dans tout le corps et le libérer là où il est nécessaire. Troisièmement, il doit être stable. Contrairement aux dons de sang, le sang artificiel peut être conservé pendant plus d’un an ou plus. Cela contraste avec le sang naturel qui ne peut être conservé qu’un mois avant qu’il ne se décompose. Deux produits très différents sont en cours de développement en tant que substituts du sang. Ils diffèrent principalement par la manière dont ils transportent l’oxygène. L’un est basé sur le PFC, tandis que l’autre est un produit à base d’hémoglobine.

Les perfluorocarbures (PFC)

Comme suggéré, les PFC sont des matériaux biologiquement inertes capables de dissoudre environ 50 fois plus d’oxygène que le plasma sanguin. Ils sont relativement peu coûteux à produire et peuvent être débarrassés de tout matériel biologique. Cela élimine la possibilité réelle de propagation d’une maladie infectieuse par transfusion sanguine. Sur le plan technologique, ils doivent surmonter deux obstacles importants avant de pouvoir être utilisés comme sang artificiel.Premièrement, ils ne sont pas solubles dans l’eau, ce qui signifie que pour les faire fonctionner, ils doivent être associés à des émulsifiants, des composés gras appelés lipides capables de suspendre de minuscules particules de composés perfluorés dans le sang. Deuxièmement, ils ont la capacité de transporter beaucoup moins d’oxygène que les produits à base d’hémoglobine. Cela signifie qu’il faut utiliser beaucoup plus de PFC. Un produit de ce type a été approuvé pour utilisation par la FDA (Federal Drug Administration), mais son succès commercial n’a pas été couronné de succès car le montant nécessaire pour fournir un avantage est trop élevé. Des émulsions améliorées de PFC sont en cours de développement mais doivent encore être commercialisées.

Produits à base d’hémoglobine

L’hémoglobine transporte l’oxygène des poumons vers les autres tissus du corps. Le sang artificiel à base d’hémoglobine tire parti de cette fonction naturelle.Contrairement aux produits PFC où la dissolution est le mécanisme clé, l’oxygène se lie de manière covalente à l’hémoglobine. Ces produits d’hémoglobine sont différents du sang total en ce qu’ils ne sont pas contenus dans une membrane, ce qui élimine le problème de la détermination du groupe sanguin. Cependant, l’hémoglobine brute ne peut pas être utilisée car elle se décomposerait en composés toxiques plus petits dans le corps. La stabilité de l’hémoglobine dans une solution pose également des problèmes. Le défi de la création d’un sang artificiel à base d’hémoglobine consiste à modifier la molécule d’hémoglobine afin de résoudre ces problèmes. Diverses stratégies sont utilisées pour stabiliser l’hémoglobine. Cela implique soit chimiquement

Le sang artificiel peut être produit de différentes manières en utilisant la production synthétique, l'isolement chimique ou la technologie biochimique recombinante. Les produits synthétiques à base d'hémoglobine sont produits à partir d'hémoglobine récoltée à partir d'une souche de bactérie E. coli. L'hémoglobine est cultivée dans un réservoir de semences puis fermentée.

Le sang artificiel peut être produit de différentes manières en utilisant la production synthétique, l’isolement chimique ou la technologie biochimique recombinante. Les produits synthétiques à base d’hémoglobine sont produits à partir d’hémoglobine récoltée à partir d’une souche de bactérie E. coli .L’hémoglobine est cultivée dans un réservoir de semences puis fermentée.

la réticulation de molécules ou l’utilisation de la technologie de l’ADN recombinant pour produire des protéines modifiées. Ces hémoglobines modifiées sont stables et solubles dans les solutions. Théoriquement, ces modifications devraient aboutir à des produits plus capables de transporter de l’oxygène que nos propres globules rouges. Le premier de ces produits devrait être disponible d’ici un à deux ans.

Matières premières

Selon le type de sang artificiel fabriqué, différentes matières premières sont utilisées.Les produits à base d’hémoglobine peuvent utiliser de l’hémoglobine isolée ou de l’hémoglobine produite par synthèse.

Pour produire de l’hémoglobine par synthèse, les fabricants utilisent des composés appelés acides aminés. Ce sont des produits chimiques que les plantes et les animaux utilisent pour créer les protéines essentielles à la vie. Il existe 20 acides aminés naturels qui peuvent être utilisés pour produire de l’hémoglobine. Toutes les molécules d’acides aminés partagent certaines caractéristiques chimiques. Ils sont composés d’un groupe amino, d’un groupe carboxyle et d’une chaîne latérale. La nature de la chaîne latérale différencie les différents acides aminés. La synthèse de l’hémoglobine nécessite également un type spécifique de bactérie et tous les matériaux nécessaires à son incubation. Cela comprend l’eau chaude, la mélasse, le glucose, l’acide acétique, les alcools, l’urée et l’ammoniac liquide.

Pour les autres types de produits sanguins artificiels à base d’hémoglobine, l’hémoglobine est isolée du sang humain. Il est généralement obtenu à partir de dons de sang expiré avant son utilisation. Les autres sources d’hémoglobine proviennent du sang animal épuisé. Cette hémoglobine est légèrement différente de l’hémoglobine humaine et doit être modifiée avant d’être utilisée.

La fabrication
Processus

La production de sang artificiel peut être réalisée de différentes manières. Pour les produits à base d’hémoglobine, cela implique l’isolement ou la synthèse de l’hémoglobine, la modification moléculaire puis la reconstitution dans une formule de sang artificiel. Les produits PFC impliquent une réaction de polymérisation. Un procédé de production d’un produit synthétique à base d’hémoglobine est présenté ci-dessous.

Synthèse d’hémoglobine

  • 1 Pour obtenir l’hémoglobine, une souche de bactérie E. coli capable de produire de l’hémoglobine humaine est utilisée. Au cours des trois jours environ, la protéine est récoltée et les bactéries sont détruites. Pour démarrer le processus de fermentation, un échantillon de la culture bactérienne pure est transféré dans un tube à essai contenant tous les nutriments nécessaires à la croissance. Cette inoculation initiale provoque la multiplication des bactéries. Lorsque la population est suffisamment importante, ils sont transférés dans un réservoir de semences.
  • 2 Un réservoir de semences est une grande bouilloire en acier inoxydable qui offre un environnement idéal pour la croissance de bactéries. Il est rempli d’eau tiède, de nourriture et d’une source d’ammoniac, nécessaires à la production d’hémoglobine. D’autres facteurs de croissance tels que les vitamines, les acides aminés et les nutriments mineurs sont également ajoutés. La solution bactérienne à l’intérieur du réservoir de semences est constamment baignée dans de l’air comprimé et mélangée pour la maintenir en mouvement. Une fois le temps écoulé, le contenu du réservoir de semences est pompé vers le réservoir de fermentation.
  • 3 Le réservoir de fermentation est une version plus grande du réservoir de semences. Il contient également un milieu de croissance nécessaire à la croissance et à la production de l’hémoglobine par les bactéries. Étant donné que le contrôle du pH est vital pour une croissance optimale, de l’eau ammoniacale est ajoutée au réservoir si nécessaire. Lorsque suffisamment d’hémoglobine a été produite, le réservoir est vidé afin que l’isolement puisse commencer.
  • 4 L’isolement commence par un séparateur centrifuge qui isole une grande partie de l’hémoglobine. Il peut encore être séparé et purifié par distillation fractionnée. Cette norme

    Une fois fermentée, l'hémoglobine est purifiée puis mélangée à de l'eau et à d'autres électrolytes pour créer du sang artificiel utilisable.

    Une fois fermentée, l’hémoglobine est purifiée puis mélangée à de l’eau et à d’autres électrolytes pour créer du sang artificiel utilisable.

    La méthode de séparation des colonnes est basée sur le principe de l’ébullition d’un liquide pour séparer un ou plusieurs composants et utilise des structures verticales appelées colonnes de fractionnement. À partir de cette colonne, l’hémoglobine est transférée dans un réservoir de traitement final.

Traitement final

  • 5 Ici, il est mélangé avec de l’eau et d’autres électrolytes pour produire le sang artificiel.Le sang artificiel peut ensuite être pasteurisé et placé dans un emballage approprié. La qualité des composés est contrôlée régulièrement tout au long du processus. Les contrôles fréquents effectués sur la culture bactérienne sont particulièrement importants.En outre, diverses propriétés physiques et chimiques du produit fini sont contrôlées, telles que le pH, le point de fusion, la teneur en humidité, etc. Cette méthode de production a permis de produire des lots atteignant 2 000 gallons (2 000 gallons).

L’avenir

Actuellement, plusieurs sociétés travaillent à la production d’un substitut de sang artificiel sûr et efficace. Les différents substituts du sang souffrent tous de certaines limitations. Par exemple, la plupart des produits à base d’hémoglobine ne durent pas plus de 20 à 30 heures dans le corps. Cela se compare à des transfusions de sang total qui dure 34 jours. En outre, ces substituts sanguins ne reproduisent pas la capacité du sang à lutter contre les maladies et la coagulation. Par conséquent, la technologie actuelle du sang artificiel sera limitée aux applications de remplacement du sang à court terme. À l’avenir, il est prévu de trouver de nouveaux matériaux pour transporter l’oxygène dans le corps. En outre, il convient de développer des produits plus durables, ainsi que des produits qui remplissent les autres fonctions du sang.

Où en savoir plus

Livres

Winslow, substituts de globules rouges à base d’hémoglobine R. Johns Hopkins University Press, 1992.

Les périodiques

Fricker, Janet. « Sang artificiel – mauvaise nouvelle pour les vampires? » The Lancet (11 mai 1996).

Maclean Hunter, « La quête du sang: les substituts du sang pourraient atténuer les pénuries chroniques. » Maclean’s (24 août 1998).

Robb, WJ « À la recherche d’un substitut sanguin idéal. » RN (août 1998).

Ross, Philip. « Brassage du sang: Somatogen peut-il mettre son sang artificiel sur le marché? » Forbes (17 novembre 1997).

Winslow, R. « Substituts de sang – Une cible mouvante. » Nature Medicine (1995).

– Perry Romanowski