Sânge artificial: material, utilizare, prelucrare, componente, procedura, produs

Sângele artificial este un produs fabricat pentru a acționa ca un substitut pentru celulele roșii din sânge. În timp ce sângele seric servește multe funcții diferite, sângele artificial este conceput pentru singurul scop de a transporta oxigen și dioxid de carbon în organism. 

În funcție de tipul de sânge artificial, acesta poate fi produs în diferite moduri, folosind producția sintetică, izolarea chimică sau tehnologia biochimică recombinată. Dezvoltarea primelor înlocuitori de sânge datează de la începutul anilor 1600, iar căutarea substitutului ideal de sânge continuă. Diferiți producători au produse în studiile clinice; cu toate acestea, nici un produs sanguin cu adevărat sigur și eficient nu este comercializat în prezent. Se anticipează că atunci când este disponibil un produs sanguin artificial, acesta va avea vânzări anuale de peste 7 dolari.

fundal

Sângele este un tip special de țesut conjunctiv care este compus din celule albe, celule roșii, trombocite și plasmă. Are o varietate de funcții în organism. Plasma este materialul extracelular alcătuit din apă, săruri și diverse proteine ​​care, împreună cu trombocitele, încurajează sângele să se coaguleze. Proteinele din plasmă reacționează cu aerul și se întăresc pentru a preveni sângerarea ulterioară. Celulele albe din sânge sunt responsabile de apărarea imunității. Ei caută organisme sau materiale invadatoare și reduc la minimum efectul lor în organism.

Celulele roșii din sânge creează culoarea roșie aprinsă. Doar două picături de sânge conțin aproximativ un miliard de celule roșii din sânge. Aceste celule sunt responsabile de transportul oxigenului și dioxidului de carbon în organism. Ei sunt, de asemenea, responsabili pentru fenomenele de „tipare”. Pe membranele acestor celule sunt proteine ​​pe care corpul le recunoaște ca pe cele proprii. Din acest motiv, o persoană poate folosi numai sânge compatibil cu tipul ei. În prezent, produsele artificiale din sânge sunt concepute doar pentru a înlocui funcția celulelor roșii din sânge. S-ar putea chiar să fie mai bine să numiți produsele dezvoltate acum, purtători de oxigen în loc de sânge artificial.

Istorie

A existat o nevoie de înlocuitori de sânge atât timp cât pacienții au sângerat până la moarte din cauza unei vătămări grave. Potrivit folclorului medical, vechii Incași au fost responsabile de primele transfuzii de sânge înregistrate. Nu s-au făcut progrese reale în dezvoltarea unui înlocuitor de sânge până în 1616, când William Harvey a descris modul în care sângele circulă pe tot corpul. În anii care au urmat, medicii au încercat numeroase substanțe, cum ar fi berea, urina, laptele, rășinile vegetale și sângele de ovine ca înlocuitor al sângelui. Sperau că schimbarea sângelui unei persoane ar putea avea efecte benefice diferite, cum ar fi vindecarea bolilor sau chiar schimbarea unei personalități. Primele transfuzii cu sânge uman au avut loc în 1667. Din păcate, practica a fost oprită deoarece pacienții care au primit transfuzii ulterioare au murit.

Din diferitele materiale care au fost încercate ca înlocuitori de sânge de-a lungul anilor, doar câțiva s-au întâlnit cu un succes minim. Laptele era unul dintre primele din aceste materiale. În 1854, pacienții au fost injectați cu lapte pentru a trata holera asiatică. Medicii au crezut că laptele a ajutat la regenerarea celulelor albe din sânge. De fapt, suficiente dintre pacienții cărora le-a fost administrat lapte ca înlocuitor de sânge părea să îmbunătățească faptul că sa ajuns la concluzia că este o procedură sigură și legitimă de înlocuire a sângelui. Cu toate acestea, mulți practicanți au rămas sceptici, astfel încât injecțiile cu lapte nu au găsit niciodată un apel pe scară largă. A fost curând eliminată și uitată ca înlocuitor de sânge.

Un alt potențial substituent a fost sarea sau soluțiile saline. În experimentele efectuate pe broaște, oamenii de știință au descoperit că ar putea să țină broaștele în viață de ceva timp, dacă și-au îndepărtat tot sângele și l-au înlocuit cu o soluție salină. Aceste rezultate au fost însă puțin înșelătoare, pentru că ulterior sa stabilit că broaștele ar putea supraviețui pentru o perioadă scurtă de timp fără nici o circulație a sângelui. După multă cercetare, soluția salină a fost dezvoltată ca expandor de volum al plasmei.

Alte materiale care au fost încercate în anii 1800 includ hemoglobina și plasma animală. În 1868, cercetătorii au descoperit că soluțiile care conțin hemoglobină izolată din celulele roșii din sânge pot fi folosite ca înlocuitori de sânge. În 1871, ei au examinat, de asemenea, utilizarea plasmei și a sângelui animal ca înlocuitor al sângelui uman. Ambele abordări au fost îngreunate de probleme tehnologice semnificative. În primul rând, oamenii de știință au descoperit că este dificil să se izoleze un volum mare de hemoglobină. În al doilea rând, produsele de origine animală conțin multe materiale care au fost toxice pentru oameni. Eliminarea acestor toxine a fost o provocare în secolul al XIX-lea.

Un progres semnificativ în dezvoltarea sângelui artificial a venit în 1883 cu crearea soluției Ringer – o soluție compusă din săruri de sodiu, potasiu și calciu . În cercetările care utilizează o parte din inima broaștei, oamenii de știință au descoperit că inima ar putea fi ținută bătând prin aplicarea soluției. Acest lucru a dus în cele din urmă la constatările că reducerea tensiunii arteriale cauzată de pierderea volumului sanguin ar putea fi restabilită prin utilizarea soluției Ringer. Acest produs a evoluat într-un produs uman când s-a adăugat lactat. În timp ce este încă folosit astăzi ca un expander de volum al sângelui, soluția lui Ringer nu înlocuiește acțiunea celulelor roșii din sânge, deci nu este un adevărat substituent de sânge.

Karl Landsteiner

Karl Landsteiner

Karl Landsteiner, care a fost numit tatăl imunologiei, a fost singurul copil al lui Leopold Landsteiner, un proeminent jurnalist și editor austriac, și Fanny Hess Landsteiner. Landsteiner a fost educat la Universitatea din Viena, unde a obținut diploma medicală în 1891. În timp ce în școala medicală, Landsteiner a început să lucreze experimental în chimie, el a fost foarte inspirat de profesorul său Ernst Ludwig.După ce și-a obținut diploma medicală, Landsteiner a petrecut în următorii cinci ani cercetări avansate în chimia organică pentru Emil Fischer, deși medicina a rămas interesul său principal. În perioada 1886-1897, a combinat aceste interese la Institutul de Igienă de la Universitatea din Viena, unde a cercetat imunologia și serologia. Imunologia și serologia au devenit apoi ținta lui Landsteiner pe tot parcursul vieții.Landsteiner a fost în primul rând interesat de lipsa siguranței și eficacității transfuziilor de sânge.Înainte de a lucra, transfuzia sângelui a fost periculoasă și insuficient utilizată, deoarece sângele donatorului s-a coagulat frecvent la pacient. Landsteiner a fost intrigat de faptul că atunci când sângele de la diferite subiecte a fost amestecat, sângele nu se coagula întotdeauna. El credea că există asemănări biochimice intrinseci și diferențe în sânge. sângele nu se coagula întotdeauna. El credea că există asemănări biochimice intrinseci și diferențe în sânge. sângele nu se coagula întotdeauna. El credea că există asemănări biochimice intrinseci și diferențe în sânge.Folosind probe de sange de la colegii sai, el a separat celulele sangelui impotriva serului si a supus celulele rosii din sange intr-o solutie salina. Apoi a amestecat fiecare individ cu serul de probă cu fiecare suspensie celulară. Coagularea a avut loc în unele îngrijiri; în altele nu a existat coagulare.Landsteiner a stabilit că ființele umane pot fi separate în grupuri de sânge în funcție de capacitatea celulelor lor roșii de a se coagula în prezența diferitelor seruri. El a numit grupurile de clasificare a sângelui A, B și O. Un al patrulea grup AB, a fost descoperit în anul următor. Rezultatul acestei lucrări a fost că pacientul și donatorul ar putea fi tipărite în prealabil în sânge, transformând transfuzia de sânge într-o practică medicală de rutină.

Cercetarea transfuziei de sânge nu a avansat înainte ca oamenii de știință să înțeleagă mai bine rolul sângelui și problemele legate de funcția sa în organism. În timpul primului război mondial, a fost utilizată o soluție gumă-salină care conține acid galactoso-gluconic pentru a extinde plasma. Dacă s-au ajustat concentrația, pH-ul și temperatura, acest material ar putea fi proiectat pentru a se potrivi cu vâscozitatea sângelui întreg, permițând medicilor să utilizeze mai puțină plasmă. În anii 1920, studiile au sugerat că această soluție de gumă a avut unele efecte negative asupra sănătății.

Până în anii 1930, utilizarea acestui material a scăzut semnificativ. Al doilea război mondial a reafirmat un interes în cercetarea sângelui și a înlocuitorilor de sânge. Plasma donată de la oameni a fost utilizată în mod obișnuit pentru a înlocui sângele și pentru a salva soldații din șocul hemoragic. În cele din urmă, acest lucru a condus la crearea băncilor de sânge de către Crucea Roșie Americană în 1947.

În 1966, experimentele cu șoareci au sugerat un nou tip de substituent de sânge, perfluorochimice (PFC). Acestea sunt polimeri cu lanț lung, asemănători cu teflon. Sa constatat ca șoarecii ar putea supraviețui chiar si dupa ce au fost imersati in PFC. Acest lucru a dat oamenilor de știință ideea de a folosi PFC ca un diluant sanguin. În 1968, ideea a fost testată pe șobolani. Sângele șobolanului a fost complet eliminat și înlocuit cu o emulsie PFC. Animalele au trăit câteva ore și s-au recuperat complet după ce sângele lor a fost înlocuit.

Cu toate acestea, sistemul bancar de sânge stabilit a lucrat atât de bine la cercetătorii privind înlocuitorii de sânge a scăzut. Acesta a primit un interes nou atunci când deficiențele sistemului bancar de sânge au fost descoperite în timpul conflictului din Vietnam. Acest lucru a determinat unii cercetători să înceapă să caute soluții de hemoglobină și alți purtători sintetici de oxigen. Cercetarea în acest domeniu a fost alimentată și în 1986, când sa descoperit că HIV și hepatita ar putea fi transmise prin transfuzii de sânge.

Proiect

Produsul sanguin artificial ideal are următoarele caracteristici. În primul rând, trebuie să fie sigur de utilizat și compatibil în corpul uman. Aceasta înseamnă că diferite tipuri de sânge nu ar trebui să conteze atunci când se utilizează un sânge artificial. De asemenea, înseamnă că sângele artificial poate fi procesat pentru a elimina toți agenții care cauzează boli, cum ar fi virusurile și microorganismele. În al doilea rând, trebuie să poată transporta oxigen în tot corpul și să-l elibereze acolo unde este necesar.

În al treilea rând, trebuie să fie stabil pe raft. Spre deosebire de sângele donat, sângele artificial poate fi păstrat timp de peste un an sau mai mult. Acest lucru este în contrast cu sângele natural, care poate fi stocat numai o lună înainte de a se rupe. Există două produse în mod semnificativ diferite care sunt în curs de dezvoltare sub formă de înlocuitori de sânge. Ele diferă în primul rând prin modul în care transportă oxigen. Una este bazată pe PFC, în timp ce cealaltă este un produs bazat pe hemoglobină.

Perfluorocarburile (PFC)

După cum sa sugerat, PFC sunt materiale inerte biologic care pot dizolva aproximativ 50 de ori mai mult oxigen decât plasma sanguină. Sunt relativ ieftine pentru a produce și pot fi lipsite de orice material biologic. Aceasta elimină posibilitatea reală de a răspândi o boală infecțioasă prin intermediul unei transfuzii de sânge. Din punct de vedere tehnologic, ele au două obstacole semnificative de depășit înainte ca acestea să poată fi utilizate ca sânge artificial.

În primul rând, ele nu sunt solubile în apă, ceea ce înseamnă că pentru a le face să lucreze, ele trebuie combinate cu emulsifianți – compuși grași numiți lipide capabile să suspende particule mici de perfluorochimice în sânge. În al doilea rând, au capacitatea de a transporta mult mai puțin oxigen decât produsele pe bază de hemoglobină. Acest lucru înseamnă că trebuie utilizat mai mult PFC.

Un produs de acest tip a fost aprobat de către Federal Drug Administration (FDA), dar nu a fost comercial de succes deoarece suma necesară pentru a oferi un beneficiu este prea mare. Emulsii PFC îmbunătățite sunt în curs de dezvoltare, dar încă nu au ajuns pe piață.

Produse pe bază de hemoglobină

Hemoglobina transportă oxigen din plămâni către celelalte țesuturi din organism. Sângele artificial bazat pe hemoglobină profită de această funcție naturală. Spre deosebire de produsele PFC în care dizolvarea este mecanismul-cheie, oxigenul se leagă covalent la hemoglobină. Aceste produse hemoglobinei sunt diferite de sângele integral, deoarece nu sunt conținute într-o membrană, astfel încât problema de tastare a sângelui este eliminată.

Cu toate acestea, hemoglobina brută nu poate fi utilizată, deoarece se va descompune în compuși toxici mai mici în organism. Există, de asemenea, probleme cu stabilitatea hemoglobinei într-o soluție. Provocarea în crearea unui sânge artificial pe bază de hemoglobină este de a modifica molecula de hemoglobinăastfel încât aceste probleme sunt rezolvate. Se folosesc diferite strategii pentru a stabiliza hemoglobina. Aceasta implică fie chimic

Sângele artificial poate fi produs în diferite moduri, utilizând producția sintetică, izolarea chimică sau tehnologia biochimică recombinantă. Produsele pe bază de hemoglobină sintetice sunt produse din hemoglobină recoltată dintr-o tulpină de bacterii E. coli. Hemoglobina este cultivată într-un rezervor de semințe și apoi fermentată.

Sângele artificial poate fi produs în diferite moduri, utilizând producția sintetică, izolarea chimică sau tehnologia biochimică recombinantă. Produsele pe bază de hemoglobină sintetice sunt produse din hemoglobină recoltată dintr-otulpină de bacterii E. coli . Hemoglobina este cultivată într-un rezervor de semințe și apoi fermentată.

molecule de reticulare sau folosind tehnologia ADN recombinat pentru a produce proteine ​​modificate. Aceste hemoglobine modificate sunt stabile și solubile în soluții. Teoretic, aceste modificări ar trebui să ducă la produse care au o capacitate mai mare de a transporta oxigen decât propriile celule roșii din sânge. Se anticipează că primul dintre aceste produse va fi disponibil în decurs de unu până la doi ani.

Materie prima

În funcție de tipul de sânge artificial, se utilizează diferite materii prime. Produsele pe bază de hemoglobină pot utiliza fie hemoglobină izolată, fie hemoglobină produsă sintetic.

Pentru a produce hemoglobina sintetic, producătorii folosesc compuși cunoscuți sub denumirea de aminoacizi. Acestea sunt substanțele chimice pe care plantele și animalele le folosesc pentru a crea proteinele esențiale pentru viață. Există 20 de aminoacizi naturali care pot fi utilizați pentru a produce hemoglobină. Toate moleculele de aminoacizi au anumite caracteristici chimice.

Acestea sunt formate dintr-o grupare amino, o grupare carboxil și un lanț lateral. Natura catenei laterale diferențiază diverși aminoacizi. Sinteza hemoglobinei necesită, de asemenea, un tip specific de bacterii și toate materialele necesare incubării. Acestea includ apă caldă, melasă, glucoză, acid acetic, alcooli, uree și amoniac lichid .

Pentru alte tipuri de produse din sânge artificiale pe bază de hemoglobină, hemoglobina este izolată din sânge uman. Se obține de obicei din sânge donat care a expirat înainte de a fi utilizat. Alte surse de hemoglobină provin din sângele animal uzat. Această hemoglobină este ușor diferită de cea a hemoglobinei umane și trebuie modificată înainte de a fi utilizată.

Procesul de fabricație a sângelui artificial

Producția de sânge artificial poate fi făcută într-o varietate de moduri. Pentru produsele pe bază de hemoglobină, aceasta implică izolarea sau sinteza hemoglobinei, modificarea moleculară, apoi reconstituirea într-o formulă artificială de sânge. Produsele PFC implică o reacție de polimerizare. O metodă pentru producerea unui produs pe bază de hemoglobină sintetică este prezentată mai jos.

Sinteza hemoglobinei

  • 1 Pentru a obține hemoglobina, se utilizează o tulpină de bacterii E. coli care are capacitatea de a produce hemoglobină umană. Pe parcursul a aproximativ trei zile, proteina este recoltată și bacteriile sunt distruse. Pentru a începe procesul de fermentație, o probă din cultura de bacterii pure este transferată într-o eprubetă care conține toți nutrienții necesari pentru creștere. Această inoculare inițială determină multiplicarea bacteriilor. Atunci când populația este suficient de mare, acestea sunt transferate într-un rezervor de semințe.
  • 2 Un rezervor pentru semințe este un cazan mare din oțel inoxidabil, care oferă un mediu ideal pentru cultivarea bacteriilor. Este umplut cu apă caldă, hrană și o sursă de amoniac, toate necesare pentru producerea hemoglobinei. Se adaugă și alți factori de creștere, cum ar fi vitaminele, aminoacizii și substanțele nutritive minore. Soluția bacteriană din interiorul rezervorului de semințe este curățată în mod constant cu aer comprimat și amestecată pentru ao menține în mișcare. Când a trecut suficient timp, conținutul rezervorului de semințe este pompat în rezervorul de fermentație.
  • 3 Rezervorul de fermentație este o versiune mai mare a rezervorului de semințe. Este, de asemenea, umplut cu un mediu de creștere necesar pentru ca bacteriile să crească și să producă hemoglobină. Deoarece controlul pH-ului este vital pentru o creștere optimă, apa de amoniac este adăugată la rezervor dacă este necesar. Când a fost produs suficient hemoglobină, rezervorul este golit, astfel încât izolarea poate începe.
  • 4 Izolarea începe cu un separator centrifugal care izolează o mare parte din hemoglobină. Poate fi separat și purificat în continuare prin distilare fracționată. Acest standard

    Odată fermentat, hemoglobina este purificată și apoi amestecată cu apă și cu alți electroliți pentru a crea sânge artificial.

    Odată fermentat, hemoglobina este purificată și apoi amestecată cu apă și cu alți electroliți pentru a crea sânge artificial.

    metoda de separare a coloanelor se bazează pe principiul de fierbere a unui lichid pentru a separa una sau mai multe componente și utilizează structuri verticale numite coloane de fracționare. Din această coloană, hemoglobina este transferată într-un rezervor final de procesare.

Procesarea finală

  • 5 Aici, este amestecat cu apă și cu alți electroliți pentru a produce sângele artificial. Sângele artificial poate fi apoi pasteurizat și introdus într-un ambalaj adecvat. Calitatea compușilor este verificată în mod regulat în timpul întregului proces. Sunt deosebit de importante controalele frecvente efectuate asupra culturii bacteriene. De asemenea, sunt verificate diferitele proprietăți fizice și chimice ale produsului finit, cum ar fi pH-ul, punctul de topire, conținutul de umiditate etc. Această metodă de producție sa dovedit a fi capabilă să producă loturi de până la 2.600 gal (10.000 L).

Viitorul

În prezent, există mai multe companii care lucrează la producerea unui înlocuitor sanguin artificial și eficient. Diferitele substituenți de sânge suferă de anumite limitări. De exemplu, majoritatea produselor pe bază de hemoglobină nu durează mai mult de 20-30 de ore în organism. Aceasta se compară cu transfuzii de sânge integral care durează 34 de zile. De asemenea, acești substituenți de sânge nu imită capacitatea sângelui de a lupta împotriva bolilor și cheagurilor.

În consecință, actuala tehnologie artificială a sângelui va fi limitată la aplicațiile de înlocuire pe termen scurt a sângelui. În viitor, se anticipează că se vor găsi noi materiale care să transporte oxigen în organism. În plus, ar trebui dezvoltate produse mai durabile, precum și produsele care îndeplinesc celelalte funcții ale sângelui.

Pentru a afla mai multe:

Cărți:

Winslow, R. Înlocuitori ai celulelor roșii cu hemoglobină. Johns Hopkins University Press, 1992.

Periodic:

Fricker, Janet. „Sânge artificial – veste proastă pentru vampiri?” The Lancet (11 mai 1996).

Maclean Hunter, „Cercetarea pentru sânge: înlocuitorii de sânge pot ușura lipsurile cronice”. Lui Maclean (24 august 1998).

Robb, WJ „Caută un înlocuitor de sânge ideal.” RN (august 1998).

Ross, Philip. „Sânge de bere: poate Somatogen să își aducă sângele pe piață?” Forbes (17 noiembrie 1997).

Winslow, R. „Înlocuitorii de sânge – un țel mișcător”. Nature Medicine (1995).

– Perry Romanowski

Cmentariile sunt închise