Kunstbloed

Kunstbloed is een product dat is gemaakt om rode bloedcellen te vervangen. Hoewel echt bloed veel verschillende functies heeft, is kunstbloed ontworpen met als enig doel zuurstof en koolstofdioxide door het lichaam te transporteren. Afhankelijk van het type kunstbloed kan het op verschillende manieren worden geproduceerd met behulp van synthetische productie, chemische isolatie of recombinante biochemische technologie. De ontwikkeling van de eerste bloedvervangers gaat terug tot het begin van de 17e eeuw en de zoektocht naar de ideale bloedvervanger gaat door. Verschillende fabrikanten hebben producten in klinische studies; er is momenteel echter geen echt veilig en effectief kunstbloedproduct op de markt. Verwacht wordt dat wanneer een kunstmatig bloedproduct beschikbaar is, het alleen al in de Verenigde Staten een jaarlijkse omzet van meer dan $ 7,6 miljard zal hebben.

Achtergrond

Bloed is een speciaal type bindweefsel dat is samengesteld uit witte bloedcellen, rode bloedcellen, bloedplaatjes en plasma. Het heeft verschillende functies in het lichaam. Plasma is het extracellulaire materiaal dat bestaat uit water, zouten en verschillende eiwitten die, samen met bloedplaatjes, de bloedstolling stimuleren. Eiwitten in het plasma reageren met lucht en verharden om verdere bloedingen te voorkomen. De witte bloedcellen zijn verantwoordelijk voor de immuunafweer. Ze gaan op zoek naar binnendringende organismen of materialen en minimaliseren hun effect in het lichaam.

De rode bloedcellen in het bloed zorgen voor de felrode kleur. Slechts twee druppels bloed bevatten ongeveer een miljard rode bloedcellen. Deze cellen zijn verantwoordelijk voor het transport van zuurstof en koolstofdioxide door het lichaam. Ze zijn ook verantwoordelijk voor het "typ"-fenomeen. Op de membranen van deze cellen zitten eiwitten die het lichaam als zijn eigen herkent. Om deze reden kan een persoon alleen bloed gebruiken dat compatibel is met haar type. Momenteel zijn kunstmatige bloedproducten alleen ontworpen om de functie van rode bloedcellen te vervangen. Misschien is het zelfs beter om de producten die nu worden ontwikkeld, zuurstofdragers te noemen in plaats van kunstbloed.

Geschiedenis

Er is behoefte aan bloedvervangingen zolang patiënten doodbloeden vanwege een ernstige verwonding. Volgens medische folklore waren de oude Inca's verantwoordelijk voor de eerste geregistreerde bloedtransfusies. Er werd geen echte vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van een bloedvervanger tot 1616, toen William Harvey beschreef hoe bloed door het lichaam circuleert. In de jaren die volgden probeerden medici tal van stoffen zoals bier, urine, melk, plantenharsen en schapenbloed als vervanging voor bloed. Ze hadden gehoopt dat het veranderen van iemands bloed verschillende gunstige effecten zou kunnen hebben, zoals het genezen van ziekten of zelfs het veranderen van een persoonlijkheid. De eerste succesvolle bloedtransfusies bij mensen werden gedaan in 1667. Helaas werd de praktijk stopgezet omdat patiënten die daaropvolgende transfusies ontvingen, stierven.

Van de verschillende materialen die in de loop der jaren als bloedvervangers werden uitgeprobeerd, hadden slechts enkele minimaal succes. Melk was een van de eerste van deze materialen. In 1854 werden patiënten geïnjecteerd met melk om Aziatische cholera te behandelen. Artsen geloofden dat de melk hielp bij het regenereren van witte bloedcellen. In feite leken genoeg van de patiënten die melk als bloedvervanger kregen te verbeteren, zodat werd geconcludeerd dat het een veilige en legitieme bloedvervangingsprocedure was. Veel beoefenaars bleven echter sceptisch, dus melkinjecties vonden nooit wijdverbreide aantrekkingskracht. Het werd al snel weggegooid en vergeten als een bloedvervanging.

Een ander potentieel alternatief waren zout- of zoutoplossingen. In experimenten met kikkers ontdekten wetenschappers dat ze kikkers enige tijd in leven konden houden als ze al hun bloed zouden verwijderen en vervangen door een zoutoplossing. Deze resultaten waren echter een beetje misleidend, omdat later werd vastgesteld dat kikkers korte tijd konden overleven zonder enige bloedcirculatie. Na veel onderzoek werd zoutoplossing ontwikkeld als een plasmavolume-expander.

Andere materialen die in de 19e eeuw werden geprobeerd, zijn hemoglobine en dierlijk plasma. In 1868 ontdekten onderzoekers dat oplossingen die hemoglobine bevatten, geïsoleerd uit rode bloedcellen, als bloedvervangers konden worden gebruikt. In 1871 onderzochten ze ook het gebruik van dierlijk plasma en bloed als vervanging voor menselijk bloed. Beide benaderingen werden gehinderd door aanzienlijke technologische problemen. Ten eerste vonden wetenschappers het moeilijk om een ​​groot volume hemoglobine te isoleren. Ten tweede bevatten dierlijke producten veel materialen die giftig waren voor de mens. Het verwijderen van deze gifstoffen was een uitdaging in de negentiende eeuw.

Een belangrijke doorbraak in de ontwikkeling van kunstbloed kwam in 1883 met de creatie van Ringer's oplossing - een oplossing bestaande uit natrium-, kalium- en calciumzouten. In onderzoek waarbij een deel van het hart van een kikker werd gebruikt, ontdekten wetenschappers dat het hart kon blijven kloppen door de oplossing toe te passen. Dit leidde uiteindelijk tot bevindingen dat de verlaging van de bloeddruk veroorzaakt door een verlies van bloedvolume kon worden hersteld door Ringer's oplossing te gebruiken. Dit product evolueerde naar een menselijk product toen lactaat werd toegevoegd. Hoewel het vandaag de dag nog steeds wordt gebruikt als een bloedvolume-expander, vervangt Ringer's oplossing de werking van rode bloedcellen niet, dus het is geen echte bloedvervanger.

Karl Landsteiner

Karl Landsteiner, die de vader van de immunologie wordt genoemd, was het enige kind van Leopold Landsteiner, een prominente Oostenrijkse journalist en redacteur, en Fanny Hess Landsteiner. Landsteiner werd opgeleid aan de Universiteit van Wenen, waar hij in 1891 zijn medische graad behaalde. Terwijl hij op de medische school zat, begon Landsteiner experimenteel werk in de chemie, omdat hij enorm werd geïnspireerd door Ernst Ludwig, een van zijn professoren. Na het behalen van zijn medische graad bracht Landsteiner de volgende vijf jaar door met geavanceerd onderzoek in de organische chemie voor Emil Fischer, hoewel geneeskunde zijn voornaamste interesse bleef. In 1886-1897 combineerde hij deze interesses aan het Instituut voor Hygiëne aan de Universiteit van Wenen, waar hij onderzoek deed naar immunologie en serologie. Immunologie en serologie werden toen de levenslange focus van Landsteiner. Landsteiner was vooral geïnteresseerd in het gebrek aan veiligheid en effectiviteit van bloedtransfusies. Voorafgaand aan zijn werk waren bloedtransfusies gevaarlijk en onderbenut omdat het bloed van de donor vaak klonterde bij de patiënt. Landsteiner was geïntrigeerd door het feit dat wanneer bloed van verschillende proefpersonen werd gemengd, het bloed niet altijd stolde. Hij geloofde dat er intrinsieke biochemische overeenkomsten en verschillen in bloed waren.

Met behulp van bloedmonsters van zijn collega's! scheidde hij de bloedcellen van het serum en suspeneerde de rode bloedcellen in een zoutoplossing. Vervolgens mengde hij het serum van elk individu met een monster uit elke celsuspensie. Bij sommige zorgen trad stolling op; in andere was er geen stolling. Landsteiner stelde vast dat mensen kunnen worden gescheiden in bloedgroepen op basis van het vermogen van hun rode bloedcellen om te stollen in de aanwezigheid van verschillende serums. Hij noemde zijn bloedclassificatie groepen A, B en O. Een vierde groep AB werd het jaar daarop ontdekt. Het resultaat van dit werk was dat patiënt en donor vooraf konden worden getypeerd, waardoor bloedtransfusie een veilige en routinematige medische praktijk werd. Deze ontdekking leverde Landsteiner uiteindelijk de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde in 1930 op.

Het bloedtransfusieonderzoek kwam pas op gang toen wetenschappers een beter begrip ontwikkelden van de rol van bloed en de problemen rond de functie ervan in het lichaam. Tijdens de Eerste Wereldoorlog werd een gom-zoutoplossing met galactoso-gluconzuur gebruikt om het plasma te verlengen. Als de concentratie, pH en temperatuur werden aangepast, zou dit materiaal kunnen worden ontworpen om te passen bij de viscositeit van volbloed, waardoor artsen minder plasma hoeven te gebruiken. In de jaren 1920 suggereerden studies dat deze kauwgomoplossing enkele negatieve gezondheidseffecten had. In de jaren dertig was het gebruik van dit materiaal aanzienlijk afgenomen. De Tweede Wereldoorlog deed de belangstelling voor het onderzoek naar bloed en bloedvervangers weer opleven. Plasma gedoneerd door mensen werd vaak gebruikt om bloed te vervangen en soldaten te redden van hemorragische shock. Uiteindelijk leidde dit in 1947 tot de oprichting van bloedbanken door het Amerikaanse Rode Kruis.

In 1966 suggereerden experimenten met muizen een nieuw type bloedvervanger, perfluorchemicaliën (PFC). Dit zijn polymeren met een lange keten, vergelijkbaar met Teflon. Het bleek dat muizen konden overleven, zelfs nadat ze waren ondergedompeld in PFC. Dit bracht wetenschappers op het idee om PFC als bloedverdunner te gebruiken. In 1968 werd het idee getest op ratten. Het bloed van de rat werd volledig verwijderd en vervangen door een PFC-emulsie. De dieren leefden een paar uur en herstelden volledig nadat hun bloed was vervangen.

Het gevestigde bloedbanksysteem werkte echter zo goed dat het onderzoek naar bloedvervangers afnam. Het kreeg hernieuwde belangstelling toen tijdens het Vietnam-conflict de tekortkomingen van het bloedbanksysteem werden ontdekt. Dit zette sommige onderzoekers ertoe aan op zoek te gaan naar hemoglobineoplossingen en andere synthetische zuurstofdragers. Onderzoek op dit gebied werd in 1986 verder aangewakkerd toen werd ontdekt dat hiv en hepatitis via bloedtransfusies konden worden overgedragen.

Ontwerp

Het ideale kunstbloedproduct heeft de volgende kenmerken. Ten eerste moet het veilig te gebruiken zijn en compatibel zijn met het menselijk lichaam. Dit betekent dat verschillende bloedgroepen er niet toe mogen doen wanneer kunstbloed wordt gebruikt. Het betekent ook dat kunstbloed kan worden verwerkt om alle ziekteverwekkers zoals virussen en micro-organismen te verwijderen. Ten tweede moet het in staat zijn om zuurstof door het lichaam te transporteren en het af te geven waar het nodig is. Ten derde moet het houdbaar zijn. In tegenstelling tot gedoneerd bloed, kan kunstbloed meer dan een jaar of langer worden bewaard. Dit in tegenstelling tot natuurlijk bloed dat maar een maand kan worden bewaard voordat het afbreekt. Er zijn twee significant verschillende producten in ontwikkeling als bloedvervangers. Ze verschillen voornamelijk in de manier waarop ze zuurstof vervoeren. De ene is gebaseerd op PFC, terwijl de andere een op hemoglobine gebaseerd product is.

Perfluorkoolstoffen (PFC)

Zoals gesuggereerd zijn PFC biologisch inerte materialen die ongeveer 50 keer meer zuurstof kunnen oplossen dan bloedplasma. Ze zijn relatief goedkoop te produceren en kunnen vrij van biologische materialen worden gemaakt. Hierdoor is de reële mogelijkheid van verspreiding van een infectieziekte via een bloedtransfusie uitgesloten. Vanuit technologisch oogpunt moeten ze twee belangrijke hindernissen overwinnen voordat ze als kunstbloed kunnen worden gebruikt. Ten eerste zijn ze niet oplosbaar in water, wat betekent dat ze, om ze te laten werken, moeten worden gecombineerd met emulgatoren - vetachtige verbindingen die lipiden worden genoemd en die in staat zijn kleine deeltjes perfluorchemicaliën in het bloed te laten zweven. Ten tweede hebben ze het vermogen om veel minder zuurstof te vervoeren dan op hemoglobine gebaseerde producten. Dit betekent dat aanzienlijk meer PFC moet worden gebruikt. Eén product van dit type is goedgekeurd voor gebruik door de Federal Drug Administration (FDA), maar het is commercieel niet succesvol geweest omdat de hoeveelheid die nodig is om een ​​voordeel te bieden te hoog is. Verbeterde PFC-emulsies worden ontwikkeld, maar moeten nog op de markt komen.

Op hemoglobine gebaseerde producten

Hemoglobine vervoert zuurstof van de longen naar de andere weefsels in het lichaam. Kunstbloed op basis van hemoglobine maakt gebruik van deze natuurlijke functie. In tegenstelling tot PFC-producten waarbij oplossen het belangrijkste mechanisme is, bindt zuurstof covalent aan hemoglobine. Deze hemoglobineproducten verschillen van volbloed doordat ze niet in een membraan zitten, zodat het probleem van bloedtypering wordt geëlimineerd. Ruwe hemoglobine kan echter niet worden gebruikt omdat het in het lichaam zou worden afgebroken tot kleinere, giftige verbindingen. Er zijn ook problemen met de stabiliteit van hemoglobine in een oplossing. De uitdaging bij het maken van een op hemoglobine gebaseerd kunstbloed is om het hemoglobinemolecuul aan te passen zodat deze problemen worden opgelost. Er worden verschillende strategieën gebruikt om hemoglobine te stabiliseren. Dit omvat ofwel chemisch Kunstbloed kan op verschillende manieren worden geproduceerd met behulp van synthetische productie, chemische isolatie of recombinante biochemische technologie. Op synthetische hemoglobine gebaseerde producten worden geproduceerd uit hemoglobine geoogst uit een E. coli bacterie stam. De hemoglobine wordt gekweekt in een zaadtank en vervolgens gefermenteerd. verknoping van moleculen of het gebruik van recombinant-DNA-technologie om gemodificeerde eiwitten te produceren. Deze gemodificeerde hemoglobines zijn stabiel en oplosbaar in oplossingen. Theoretisch zouden deze aanpassingen moeten resulteren in producten die een groter vermogen hebben om zuurstof te vervoeren dan onze eigen rode bloedcellen. Naar verwachting zullen de eerste van deze producten binnen één tot twee jaar beschikbaar zijn.

Grondstoffen

Afhankelijk van het soort kunstbloed dat gemaakt wordt, worden verschillende grondstoffen gebruikt. Op hemoglobine gebaseerde producten kunnen geïsoleerd hemoglobine of synthetisch geproduceerde hemoglobine gebruiken.

Om hemoglobine synthetisch te produceren, gebruiken fabrikanten verbindingen die bekend staan ​​als aminozuren. Dit zijn chemicaliën die planten en dieren gebruiken om de eiwitten te maken die essentieel zijn voor het leven. Er zijn 20 natuurlijk voorkomende aminozuren die kunnen worden gebruikt om hemoglobine te produceren. Alle aminozuurmoleculen delen bepaalde chemische eigenschappen. Ze zijn opgebouwd uit een aminogroep, een carboxylgroep en een zijketen. De aard van de zijketen onderscheidt de verschillende aminozuren. Hemoglobinesynthese vereist ook een specifiek type bacteriën en alle materialen die nodig zijn om het te incuberen. Dit omvat warm water, melasse, glucose, azijnzuur, alcoholen, ureum en vloeibare ammoniak.

Voor andere soorten op hemoglobine gebaseerde kunstmatige bloedproducten wordt de hemoglobine geïsoleerd uit menselijk bloed. Het wordt meestal verkregen uit gedoneerd bloed dat is verlopen voordat het wordt gebruikt. Andere bronnen van hemoglobine zijn afkomstig van verbruikt dierlijk bloed. Deze hemoglobine wijkt enigszins af van menselijke hemoglobine en moet voor gebruik worden aangepast.

Het fabricageproces

De productie van kunstbloed kan op verschillende manieren. Voor op hemoglobine gebaseerde producten omvat dit isolatie of synthese van hemoglobine, moleculaire modificatie en reconstitutie in een kunstmatige bloedformule. PFC-producten omvatten een polymerisatiereactie. Hieronder wordt een methode beschreven voor de productie van een synthetisch product op basis van hemoglobine.

Hemoglobinesynthese

• 1 Om hemoglobine te verkrijgen, een stam van E. coli bacteriën die het vermogen hebben om humaan hemoglobine te produceren, worden gebruikt. In de loop van ongeveer drie dagen wordt het eiwit geoogst en worden de bacteriën vernietigd. Om het fermentatieproces te starten, wordt een monster van de pure bacteriecultuur overgebracht naar een reageerbuis die alle voedingsstoffen bevat die nodig zijn voor de groei. Deze eerste inoculatie zorgt ervoor dat de bacteriën zich vermenigvuldigen. Als de populatie groot genoeg is, worden ze overgebracht naar een zaadtank.
• 2 Een zaadtank is een grote roestvrijstalen ketel die een ideale omgeving biedt voor het kweken van bacteriën. Het is gevuld met warm water, voedsel en een ammoniakbron die allemaal nodig zijn voor de productie van hemoglobine. Andere groeifactoren zoals vitamines, aminozuren en kleine voedingsstoffen worden ook toegevoegd. De bacteriële oplossing in de zaadtank wordt constant gebaad met perslucht en gemengd om hem in beweging te houden. Als er voldoende tijd is verstreken, wordt de inhoud van de zaadtank naar de vergistingstank gepompt.
• 3 De fermentatietank is een grotere versie van de zaadtank. Het is ook gevuld met een groeimedium dat nodig is voor de bacteriën om te groeien en hemoglobine te produceren. Omdat pH-regeling van vitaal belang is voor optimale groei, wordt indien nodig ammoniakwater aan de tank toegevoegd. Als er voldoende hemoglobine is aangemaakt, wordt de tank geleegd zodat de isolatie kan beginnen.
• 4 Isolatie begint met een centrifugale separator die een groot deel van de hemoglobine isoleert. Het kan verder worden gescheiden en gezuiverd met behulp van gefractioneerde destillatie. Deze standaard Eenmaal gefermenteerd, wordt de hemoglobine gezuiverd en vervolgens gemengd met water en andere elektrolyten om bruikbaar kunstbloed te creëren. kolomscheidingsmethode is gebaseerd op het principe van het koken van een vloeistof om een ​​of meer componenten te scheiden en maakt gebruik van verticale structuren die fractioneringskolommen worden genoemd. Vanuit deze kolom wordt de hemoglobine overgebracht naar een eindverwerkingstank.

Definitieve verwerking

• 5 Hier wordt het gemengd met water en andere elektrolyten om het kunstmatige bloed te produceren. Het kunstbloed kan dan gepasteuriseerd worden en in een geschikte verpakking gedaan worden. Gedurende het gehele proces wordt de kwaliteit van compounds regelmatig gecontroleerd. Bijzonder belangrijk zijn frequente controles van de bacteriecultuur. Ook worden verschillende fysische en chemische eigenschappen van het eindproduct gecontroleerd, zoals pH, smeltpunt, vochtgehalte, enz. Het is aangetoond dat deze productiemethode batches kan produceren tot wel 2.640 gal (10.000 L).

De Toekomst

Op dit moment zijn er meerdere bedrijven bezig met de productie van een veilige en effectieve kunstmatige bloedvervanger. De verschillende bloedvervangers hebben allemaal bepaalde beperkingen. De meeste producten op basis van hemoglobine blijven bijvoorbeeld niet langer dan 20-30 uur in het lichaam. Dit is te vergelijken met transfusies van volbloed die 34 dagen duren. Ook bootsen deze bloedvervangers het vermogen van het bloed om ziekten en bloedstolsels te bestrijden niet na. Bijgevolg zal de huidige kunstmatige bloedtechnologie beperkt blijven tot bloedvervangingstoepassingen op korte termijn. In de toekomst wordt verwacht dat er nieuwe materialen zullen worden gevonden om zuurstof in het lichaam te vervoeren. Bovendien moeten er producten worden ontwikkeld die langer meegaan en producten die de andere functies van bloed vervullen.