Искусственная кровь

<час />

Искусственная кровь - это продукт, который заменяет эритроциты. Хотя настоящая кровь выполняет множество различных функций, искусственная кровь разработана с единственной целью - транспортировать кислород и углекислый газ по всему телу. В зависимости от типа искусственной крови ее можно производить по-разному, используя синтетическое производство, химическое выделение или рекомбинантную биохимическую технологию. Разработка первых кровезаменителей началась в начале 1600-х годов, и поиск идеального кровезаменителя продолжается. Продукты разных производителей проходят клинические испытания; однако в настоящее время на рынке нет по-настоящему безопасного и эффективного продукта искусственной крови. Ожидается, что, когда искусственный продукт крови станет доступен, его годовой объем продаж только в Соединенных Штатах составит более 7,6 миллиарда долларов.

Фон

Кровь - это особый тип соединительной ткани, состоящий из лейкоцитов, эритроцитов, тромбоцитов и плазмы. Он выполняет множество функций в организме. Плазма - это внеклеточный материал, состоящий из воды, солей и различных белков, который вместе с тромбоцитами способствует свертыванию крови. Белки в плазме реагируют с воздухом и затвердевают, предотвращая дальнейшее кровотечение. Белые кровяные тельца отвечают за иммунную защиту. Они ищут вторгшиеся организмы или материалы и минимизируют их влияние на организм.

Красные клетки крови создают ярко-красный цвет. Всего в двух каплях крови содержится около одного миллиарда эритроцитов. Эти клетки отвечают за транспортировку кислорода и углекислого газа по всему телу. Они также несут ответственность за феномен «типирования». На мембранах этих клеток находятся белки, которые организм распознает как свои собственные. По этой причине человек может использовать только кровь, совместимую с его типом. В настоящее время продукты искусственной крови предназначены только для замены функции красных кровяных телец. Может быть, даже лучше называть разрабатываемые сейчас продукты переносчиками кислорода, а не искусственной кровью.

История

Замена крови существует с тех пор, как пациенты истекают кровью из-за серьезной травмы. Согласно медицинскому фольклору, древние инки были ответственны за первые зарегистрированные переливания крови. Никакого реального прогресса в разработке кровезаменителей не было до 1616 года, когда Уильям Харви описал, как кровь циркулирует по всему телу. В последующие годы практикующие врачи испробовали множество веществ, таких как пиво, моча, молоко, растительные смолы и овечья кровь, в качестве заменителя крови. Они надеялись, что изменение крови человека может иметь различные положительные эффекты, такие как излечение болезней или даже изменение личности. Первые успешные переливания крови человека были сделаны в 1667 году. К сожалению, эта практика была прекращена, потому что пациенты, которым были сделаны последующие переливания, умерли.

Из различных материалов, которые использовались в качестве кровезаменителей на протяжении многих лет, лишь некоторые из них имели минимальный успех. Молоко было одним из первых таких материалов. В 1854 году пациентам вводили молоко для лечения азиатской холеры. Врачи считали, что молоко помогает регенерировать лейкоциты. Фактически, у достаточного количества пациентов, которым давали молоко в качестве заменителя крови, казалось, что это улучшилось, что было решено, что это безопасная и законная процедура замены крови. Однако многие практикующие оставались скептичными, поэтому инъекции молока так и не получили широкого распространения. Вскоре его выбросили и забыли как заменитель крови.

Другой потенциальной заменой были солевые или физиологические растворы. В экспериментах, проведенных на лягушках, ученые обнаружили, что они могут сохранить жизнь лягушкам в течение некоторого времени, если удалить всю кровь и заменить ее физиологическим раствором. Однако эти результаты немного вводили в заблуждение, потому что позже было установлено, что лягушки могут выжить в течение короткого времени без какого-либо кровообращения. После долгих исследований физиологический раствор был разработан как расширитель объема плазмы.

Другие материалы, которые были опробованы в 1800-х годах, включают гемоглобин и плазму животных. В 1868 году исследователи обнаружили, что растворы, содержащие гемоглобин, выделенный из эритроцитов, можно использовать в качестве заменителя крови. В 1871 году они также исследовали использование плазмы и крови животных в качестве заменителя человеческой крови. Обоим этим подходам препятствовали значительные технологические проблемы. Во-первых, ученым было сложно выделить большой объем гемоглобина. Во-вторых, продукты животного происхождения содержат много токсичных для человека материалов. Удаление этих токсинов было сложной задачей в девятнадцатом веке.

Значительный прорыв в разработке искусственной крови произошел в 1883 году с созданием раствора Рингера - раствора, состоящего из солей натрия, калия и кальция. В исследованиях с использованием части сердца лягушки ученые обнаружили, что сердце можно удерживать, нанося раствор. В конечном итоге это привело к выводам о том, что снижение артериального давления, вызванное потерей объема крови, можно восстановить с помощью раствора Рингера. Этот продукт превратился в человеческий продукт, когда был добавлен лактат. Хотя он все еще используется сегодня в качестве расширителя объема крови, раствор Рингера не заменяет действие красных кровяных телец, поэтому он не является истинным заменителем крови.

Карл Ландштейнер

Карл Ландштейнер, которого называют отцом иммунологии, был единственным ребенком Леопольда Ландштейнера, известного австрийского журналиста и редактора, и Фанни Хесс Ландштейнер. Ландштайнер получил образование в Венском университете, где в 1891 году получил степень доктора медицины. Во время учебы в медицинской школе Ландштайнер начал экспериментальную работу в области химии, поскольку его очень вдохновил Эрнст Людвиг, один из его профессоров. После получения медицинской степени Ландштейнер провел следующие пять лет, занимаясь передовыми исследованиями в области органической химии для Эмиля Фишера, хотя медицина оставалась его главным интересом. В 1886-1897 годах он объединил эти интересы в Институте гигиены Венского университета, где занимался иммунологией и серологией. Иммунология и серология стали центром внимания Ландштейнера на протяжении всей его жизни. Ландштейнера в первую очередь интересовало отсутствие безопасности и эффективности переливания крови. До его работы переливание крови было опасным и мало использовалось, потому что кровь донора часто свертывалась у пациента. Ландштейнера заинтриговал тот факт, что при смешивании крови разных испытуемых кровь не всегда свертывалась. Он считал, что в крови есть внутренние биохимические сходства и различия.

Используя образцы крови своих коллег, он отделил клетки крови от сыворотки и приостановил эритроциты в физиологическом растворе. Затем он смешал сыворотку каждого человека с образцом каждой клеточной суспензии. Свертывание произошло при некоторых уходах; в других не было свертывания крови. Ландштайнер определил, что люди могут быть разделены на группы крови в соответствии со способностью их эритроцитов к свертыванию в присутствии различных сывороток. Он назвал свою группу крови A, B и O. Четвертая группа AB была обнаружена в следующем году. Результатом этой работы стало то, что у пациента и донора можно было заранее определить группу крови, что сделало переливание крови безопасной и повседневной медицинской практикой. Это открытие в конечном итоге принесло Ландштейнеру Нобелевскую премию 1930 года по физиологии и медицине.

Исследования по переливанию крови не продвигались вперед до тех пор, пока ученые не стали лучше понимать роль крови и проблемы, связанные с ее функцией в организме. Во время Первой мировой войны для увеличения плазмы использовали солевой раствор, содержащий галакто-глюконовую кислоту. Если бы концентрация, pH и температура были отрегулированы, этот материал можно было бы разработать так, чтобы он соответствовал вязкости цельной крови, что позволило бы врачам использовать меньше плазмы. В 1920-х годах исследования показали, что этот раствор жевательной резинки имел некоторые негативные последствия для здоровья. К 1930-м годам использование этого материала значительно сократилось. Вторая мировая война возродила интерес к исследованиям крови и кровезаменителей. Плазма, полученная от людей, обычно использовалась для замены крови и спасения солдат от геморрагического шока. В конце концов, это привело к созданию банков крови Американским Красным Крестом в 1947 году.

В 1966 году эксперименты на мышах предложили новый тип кровезаменителя - перфторхимикаты (PFC). Это длинноцепочечные полимеры, похожие на тефлон. Было обнаружено, что мыши могут выжить даже после погружения в PFC. Это натолкнуло ученых на мысль использовать ПФУ в качестве разжижителя крови. В 1968 году идея была проверена на крысах. Кровь крысы полностью удаляли и заменяли эмульсией PFC. Животные жили несколько часов и полностью выздоровели после замены крови.

Однако устоявшаяся система банков крови работала настолько хорошо, что исследования заменителей крови пошли на убыль. Интерес к нему возобновился, когда во время Вьетнамского конфликта были обнаружены недостатки системы банка крови. Это побудило некоторых исследователей начать поиск растворов гемоглобина и других синтетических переносчиков кислорода. Исследования в этой области получили дальнейшее развитие в 1986 году, когда было обнаружено, что ВИЧ и гепатит могут передаваться при переливании крови.

Дизайн

Идеальный продукт искусственной крови имеет следующие характеристики. Во-первых, он должен быть безопасным в использовании и совместимым с человеческим телом. Это означает, что разные группы крови не имеют значения при использовании искусственной крови. Это также означает, что искусственная кровь может быть обработана для удаления всех болезнетворных агентов, таких как вирусы и микроорганизмы. Во-вторых, он должен иметь возможность транспортировать кислород по всему телу и выделять его там, где это необходимо. В-третьих, он должен быть стабильным при хранении. В отличие от донорской крови, искусственная кровь может храниться более года и более. Это контрастирует с естественной кровью, которую можно хранить только в течение одного месяца, прежде чем она разложится. В настоящее время разрабатываются два существенно разных продукта в качестве кровезаменителей. Они различаются прежде всего тем, что переносят кислород. Один основан на PFC, а другой - на основе гемоглобина.

Перфторуглероды (ПФУ)

Предполагается, что ПФУ - это биологически инертные материалы, которые могут растворять примерно в 50 раз больше кислорода, чем плазма крови. Они относительно недороги в производстве и могут быть изготовлены без каких-либо биологических материалов. Это исключает реальную возможность распространения инфекционного заболевания при переливании крови. С технологической точки зрения им нужно преодолеть два серьезных препятствия, прежде чем их можно будет использовать в качестве искусственной крови. Во-первых, они не растворимы в воде, а это означает, что для их работы их необходимо комбинировать с эмульгаторами - жирными соединениями, называемыми липидами, которые способны задерживать мельчайшие частицы перфторхимикатов в крови. Во-вторых, они способны переносить гораздо меньше кислорода, чем продукты на основе гемоглобина. Это означает, что необходимо использовать значительно больше PFC. Один продукт этого типа был одобрен для использования Федеральным управлением по лекарственным средствам (FDA), но он не имел коммерческого успеха, поскольку количество, необходимое для получения преимущества, слишком велико. Улучшенные эмульсии ПФУ разрабатываются, но еще не вышли на рынок.

Продукты на основе гемоглобина

Гемоглобин переносит кислород из легких в другие ткани тела. Искусственная кровь на основе гемоглобина использует эту естественную функцию. В отличие от продуктов PFC, где растворение является ключевым механизмом, кислород ковалентно связывается с гемоглобином. Эти продукты гемоглобина отличаются от цельной крови тем, что они не содержатся в мембране, поэтому проблема определения группы крови устраняется. Однако сырой гемоглобин нельзя использовать, потому что он расщепляется в организме на более мелкие токсичные соединения. Также есть проблемы со стабильностью гемоглобина в растворе. Задача создания искусственной крови на основе гемоглобина состоит в том, чтобы изменить молекулу гемоглобина, чтобы эти проблемы были решены. Для стабилизации гемоглобина используются различные стратегии. Это связано либо с химическим Искусственную кровь можно производить разными способами, используя синтетическое производство, химическую изоляцию или рекомбинантную биохимическую технологию. Продукты на основе синтетического гемоглобина производятся из гемоглобина, полученного из E. coli штамм бактерий. Гемоглобин выращивают в семенном баке, а затем ферментируют. сшивание молекул или использование технологии рекомбинантной ДНК для производства модифицированных белков. Эти модифицированные гемоглобины стабильны и растворимы в растворах. Теоретически эти модификации должны привести к продуктам, которые обладают большей способностью переносить кислород, чем наши собственные эритроциты. Ожидается, что первые из этих продуктов будут доступны в течение одного-двух лет.

Сырье

В зависимости от типа производимой искусственной крови используется различное сырье. В продуктах на основе гемоглобина может использоваться либо выделенный гемоглобин, либо гемоглобин, полученный синтетическим путем.

Для синтетического производства гемоглобина производители используют соединения, известные как аминокислоты. Это химические вещества, которые растения и животные используют для создания белков, необходимых для жизни. Есть 20 встречающихся в природе аминокислот, которые могут быть использованы для производства гемоглобина. Все молекулы аминокислот обладают определенными химическими характеристиками. Они состоят из аминогруппы, карбоксильной группы и боковой цепи. Природа боковой цепи различает различные аминокислоты. Синтез гемоглобина также требует определенного типа бактерий и всех материалов, необходимых для его инкубации. Это включает теплую воду, патоку, глюкозу, уксусную кислоту, спирты, мочевину и жидкий аммиак.

Для других типов продуктов искусственной крови на основе гемоглобина гемоглобин выделяется из крови человека. Обычно его получают из донорской крови, срок годности которой истек до ее использования. Другие источники гемоглобина - это отработанная кровь животных. Этот гемоглобин немного отличается от гемоглобина человека и перед использованием его необходимо модифицировать.

Производственный
процесс

Производство искусственной крови может осуществляться разными способами. Для продуктов на основе гемоглобина это включает выделение или синтез гемоглобина, молекулярную модификацию, а затем восстановление в искусственной формуле крови. Продукты PFC включают реакцию полимеризации. Ниже описан способ производства синтетического продукта на основе гемоглобина.

Синтез гемоглобина

• 1 Для получения гемоглобина штамм E. coli используются бактерии, способные производить гемоглобин человека. В течение примерно трех дней белок собирается, а бактерии уничтожаются. Чтобы начать процесс ферментации, образец чистой культуры бактерий переносят в пробирку, содержащую все питательные вещества, необходимые для роста. Эта первоначальная инокуляция вызывает размножение бактерий. Когда популяция достаточно велика, их переводят в семенной бак.
• 2 Бак для семян - это большой котел из нержавеющей стали, который обеспечивает идеальную среду для выращивания бактерий. Он наполнен теплой водой, едой и источником аммиака, которые необходимы для производства гемоглобина. Также добавляются другие факторы роста, такие как витамины, аминокислоты и второстепенные питательные вещества. Бактериальный раствор внутри семенного бункера постоянно омывается сжатым воздухом и перемешивается, чтобы он продолжал двигаться. По прошествии достаточного времени содержимое семенного бака перекачивается в бродильный чан.
• 3 Бак для брожения - это увеличенная версия бака для семян. Он также заполнен питательной средой, необходимой для роста бактерий и выработки гемоглобина. Поскольку контроль pH жизненно важен для оптимального роста, при необходимости в аквариум добавляется вода с аммиаком. Когда будет произведено достаточное количество гемоглобина, резервуар опорожняется, и можно начинать изоляцию.
• 4 Изоляция начинается с центробежного сепаратора, который изолирует большую часть гемоглобина. Его можно дополнительно разделить и очистить с помощью фракционной перегонки. Этот стандарт После ферментации гемоглобин очищается, а затем смешивается с водой и другими электролитами для создания пригодной для использования искусственной крови. Метод разделения в колонне основан на принципе кипения жидкости для разделения одного или нескольких компонентов и использует вертикальные конструкции, называемые ректификационными колоннами. Из этой колонки гемоглобин переносится в резервуар для окончательной обработки.

Окончательная обработка

• 5 Здесь он смешивается с водой и другими электролитами для получения искусственной крови. Затем искусственную кровь можно пастеризовать и поместить в соответствующую упаковку. Качество компаундов регулярно проверяется в течение всего процесса. Особенно важны частые проверки бактериальных культур. Кроме того, проверяются различные физические и химические свойства готового продукта, такие как pH, температура плавления, содержание влаги и т. Д. Было показано, что этот метод производства позволяет производить партии объемом до 2640 галлонов (10 000 л).

Будущее

В настоящее время над производством безопасного и эффективного искусственного кровезаменителя работает несколько компаний. Все кровезаменители имеют определенные ограничения. Например, большинство продуктов на основе гемоглобина хранятся в организме не более 20-30 часов. Для сравнения:переливание цельной крови длится 34 дня. Кроме того, эти кровезаменители не имитируют способность крови бороться с болезнями и свертываться. Следовательно, текущая технология искусственной крови будет ограничена краткосрочным замещением крови. Ожидается, что в будущем будут найдены новые материалы, переносящие кислород в организме. Кроме того, следует разрабатывать продукты длительного действия, а также продукты, которые выполняют другие функции крови.