Kunstblut

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Künstliches Blut ist ein Produkt, das als Ersatz für rote Blutkörperchen dient. Während echtes Blut viele verschiedene Funktionen erfüllt, dient künstliches Blut einzig dem Zweck, Sauerstoff und Kohlendioxid durch den Körper zu transportieren. Je nach Art des Kunstbluts kann es auf unterschiedliche Weise mittels synthetischer Herstellung, chemischer Isolierung oder rekombinanter biochemischer Technologie hergestellt werden. Die Entwicklung der ersten Blutersatzstoffe geht auf das frühe 17. Jahrhundert zurück, und die Suche nach dem idealen Blutersatzstoff geht weiter. Verschiedene Hersteller haben Produkte in klinischen Studien; jedoch wird derzeit kein wirklich sicheres und wirksames künstliches Blutprodukt vermarktet. Es wird erwartet, dass, wenn ein künstliches Blutprodukt verfügbar ist, es allein in den Vereinigten Staaten einen Jahresumsatz von über 7,6 Milliarden US-Dollar erzielen wird.

Hintergrund

Blut ist eine besondere Art von Bindegewebe, das aus weißen Blutkörperchen, roten Blutkörperchen, Blutplättchen und Plasma besteht. Es hat verschiedene Funktionen im Körper. Plasma ist das extrazelluläre Material aus Wasser, Salzen und verschiedenen Proteinen, das zusammen mit Blutplättchen die Blutgerinnung anregt. Proteine ​​im Plasma reagieren mit Luft und härten aus, um weitere Blutungen zu verhindern. Die weißen Blutkörperchen sind für die Immunabwehr zuständig. Sie suchen nach eindringenden Organismen oder Materialien und minimieren deren Wirkung im Körper.

Die roten Blutkörperchen im Blut erzeugen die leuchtend rote Farbe. Bereits zwei Tropfen Blut enthalten etwa eine Milliarde rote Blutkörperchen. Diese Zellen sind für den Transport von Sauerstoff und Kohlendioxid durch den Körper verantwortlich. Sie sind auch für die Phänomene des "Schreibens" verantwortlich. Auf den Membranen dieser Zellen befinden sich Proteine, die der Körper als seine eigenen erkennt. Aus diesem Grund kann eine Person nur Blut verwenden, das mit ihrer Blutgruppe kompatibel ist. Derzeit sind künstliche Blutprodukte nur dazu bestimmt, die Funktion der roten Blutkörperchen zu ersetzen. Es könnte sogar besser sein, die Produkte, die jetzt entwickelt werden, Sauerstoffträger statt Kunstblut zu nennen.

Verlauf

Es besteht ein Bedarf an Blutersatzmitteln, solange Patienten aufgrund einer schweren Verletzung verbluten. Laut medizinischer Folklore waren die alten Inkas für die ersten aufgezeichneten Bluttransfusionen verantwortlich. Bis 1616, als William Harvey beschrieb, wie Blut durch den Körper zirkuliert, wurden bei der Entwicklung eines Blutersatzes keine wirklichen Fortschritte erzielt. In den Folgejahren probierten Mediziner zahlreiche Substanzen wie Bier, Urin, Milch, Pflanzenharze und Schafsblut als Blutersatz aus. Sie hatten gehofft, dass eine Veränderung des Blutes einer Person verschiedene positive Auswirkungen haben könnte, wie beispielsweise die Heilung von Krankheiten oder sogar eine Veränderung der Persönlichkeit. Die ersten erfolgreichen Transfusionen von menschlichem Blut wurden 1667 durchgeführt. Leider wurde die Praxis eingestellt, weil Patienten, die spätere Transfusionen erhielten, starben.

Von den verschiedenen Materialien, die im Laufe der Jahre als Blutersatzmittel erprobt wurden, hatten nur wenige einen geringen Erfolg. Milch war eines der ersten dieser Materialien. 1854 wurde den Patienten Milch zur Behandlung der asiatischen Cholera injiziert. Ärzte glaubten, dass die Milch bei der Regeneration der weißen Blutkörperchen half. Tatsächlich schienen sich genug der Patienten, denen Milch als Blutersatz verabreicht wurde, zu verbessern, so dass der Schluss gezogen wurde, dass es sich um ein sicheres und legitimes Blutersatzverfahren handelte. Viele Praktizierende blieben jedoch skeptisch, so dass Milchinjektionen nie weit verbreiteten Anklang fanden. Es wurde bald verworfen und als Blutersatz vergessen.

Ein weiterer möglicher Ersatz waren Salz- oder Kochsalzlösungen. In Experimenten an Fröschen fanden Wissenschaftler heraus, dass sie Frösche einige Zeit am Leben erhalten konnten, wenn sie ihr gesamtes Blut entfernten und durch eine Kochsalzlösung ersetzten. Diese Ergebnisse waren jedoch ein wenig irreführend, da später festgestellt wurde, dass Frösche für kurze Zeit ohne jegliche Blutzirkulation überleben können. Nach langer Forschung wurde Kochsalzlösung als Plasmavolumenexpander entwickelt.

Andere Materialien, die während des 19. Jahrhunderts ausprobiert wurden, sind Hämoglobin und Tierplasma. Im Jahr 1868 fanden Forscher heraus, dass Lösungen, die aus roten Blutkörperchen isoliertes Hämoglobin enthalten, als Blutersatz verwendet werden können. 1871 untersuchten sie auch die Verwendung von tierischem Plasma und Blut als Ersatz für menschliches Blut. Beide Ansätze wurden durch erhebliche technologische Probleme behindert. Erstens fanden Wissenschaftler es schwierig, eine große Menge Hämoglobin zu isolieren. Zweitens enthielten tierische Produkte viele Stoffe, die für den Menschen giftig waren. Die Entfernung dieser Toxine war im 19. Jahrhundert eine Herausforderung.

Ein bedeutender Durchbruch in der Entwicklung von künstlichem Blut gelang 1883 mit der Entwicklung der Ringer-Lösung – einer Lösung bestehend aus Natrium-, Kalium- und Calciumsalzen. Bei Untersuchungen mit einem Teil des Froschherzens fanden Wissenschaftler heraus, dass das Herz durch Auftragen der Lösung am Schlagen gehalten werden konnte. Dies führte schließlich zu Erkenntnissen, dass die durch einen Blutvolumenverlust verursachte Blutdrucksenkung durch die Verwendung von Ringer-Lösung wiederhergestellt werden konnte. Dieses Produkt entwickelte sich durch die Zugabe von Laktat zu einem Humanprodukt. Obwohl es heute noch als Blutvolumen-Expander verwendet wird, ersetzt die Ringer-Lösung nicht die Wirkung der roten Blutkörperchen und ist daher kein echter Blutersatz.

Karl Landsteiner

Karl Landsteiner, der als Vater der Immunologie bezeichnet wird, war das einzige Kind von Leopold Landsteiner, einem prominenten österreichischen Journalisten und Redakteur, und Fanny Hess Landsteiner. Landsteiner wurde an der Universität Wien ausgebildet, wo er 1891 seinen Doktortitel erhielt. Während seines Medizinstudiums begann Landsteiner experimentelle Arbeiten in der Chemie, da er stark von Ernst Ludwig, einem seiner Professoren, inspiriert wurde. Nach seinem Medizinstudium verbrachte Landsteiner die nächsten fünf Jahre für Emil Fischer mit fortgeschrittener Forschung auf dem Gebiet der organischen Chemie, obwohl sein Hauptinteresse die Medizin blieb. In den Jahren 1886-1897 verband er diese Interessen am Institut für Hygiene der Universität Wien, wo er Immunologie und Serologie forschte. Immunologie und Serologie wurden dann zum lebenslangen Schwerpunkt von Landsteiner. Landsteiner interessierte vor allem die mangelnde Sicherheit und Wirksamkeit von Bluttransfusionen. Vor seiner Arbeit waren Bluttransfusionen gefährlich und wurden zu wenig genutzt, da das Blut des Spenders beim Patienten häufig geronnen. Landsteiner war fasziniert von der Tatsache, dass beim Mischen von Blut verschiedener Personen das Blut nicht immer gerinnt. Er glaubte, dass es intrinsische biochemische Ähnlichkeiten und Unähnlichkeiten im Blut gab.

Mit Blutproben seiner Kollegen trennte er die Blutkörperchen aus dem Serum und suspendierte die roten Blutkörperchen in einer Kochsalzlösung. Dann mischte er das Serum jedes Individuums mit einer Probe von jeder Zellsuspension. Bei einigen Pflegefällen trat eine Gerinnung auf; in anderen gab es keine Gerinnung. Landsteiner stellte fest, dass Menschen nach der Fähigkeit ihrer roten Blutkörperchen, in Gegenwart verschiedener Seren zu gerinnen, in Blutgruppen eingeteilt werden können. Er nannte seine Blutklassifikationsgruppen A, B und O. Eine vierte Gruppe AB wurde im folgenden Jahr entdeckt. Das Ergebnis dieser Arbeit war, dass Patienten und Spender im Vorfeld einer Blutgruppe unterzogen werden konnten, was die Bluttransfusion zu einer sicheren und routinemäßigen medizinischen Praxis machte. Diese Entdeckung brachte Landsteiner schließlich 1930 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ein.

Die Bluttransfusionsforschung kam erst voran, als die Wissenschaftler ein besseres Verständnis der Rolle des Blutes und der Probleme im Zusammenhang mit seiner Funktion im Körper entwickelten. Während des Ersten Weltkriegs wurde eine Kaugummi-Kochsalzlösung mit Galactoso-Gluconsäure verwendet, um das Plasma zu verlängern. Wenn Konzentration, pH-Wert und Temperatur angepasst würden, könnte dieses Material an die Viskosität von Vollblut angepasst werden, sodass Ärzte weniger Plasma verwenden können. In den 1920er Jahren deuteten Studien darauf hin, dass diese Kaugummilösung einige negative Auswirkungen auf die Gesundheit hatte. In den 1930er Jahren hatte die Verwendung dieses Materials erheblich abgenommen. Der Zweite Weltkrieg weckte das Interesse an der Erforschung von Blut und Blutersatzstoffen wieder. Von Menschen gespendetes Plasma wurde häufig verwendet, um Blut zu ersetzen und Soldaten vor einem hämorrhagischen Schock zu bewahren. Dies führte schließlich 1947 zur Einrichtung von Blutbanken durch das Amerikanische Rote Kreuz.

Im Jahr 1966 schlugen Experimente mit Mäusen eine neue Art von Blutersatz vor, Perfluorchemikalien (PFC). Dies sind langkettige Polymere, die Teflon ähnlich sind. Es wurde festgestellt, dass Mäuse sogar überleben konnten, nachdem sie in PFC eingetaucht wurden. Dies brachte Wissenschaftler auf die Idee, PFC als Blutverdünner einzusetzen. 1968 wurde die Idee an Ratten getestet. Das Blut der Ratte wurde vollständig entfernt und durch eine PFC-Emulsion ersetzt. Die Tiere lebten einige Stunden und erholten sich vollständig, nachdem ihr Blut ersetzt wurde.

Das etablierte Blutbanksystem funktionierte jedoch so gut, dass die Forschung zu Blutersatzstoffen nachließ. Sie stieß auf neues Interesse, als während des Vietnam-Konflikts die Mängel des Blutbankensystems aufgedeckt wurden. Dies veranlasste einige Forscher, nach Hämoglobinlösungen und anderen synthetischen Sauerstoffträgern zu suchen. Die Forschung auf diesem Gebiet wurde 1986 weiter vorangetrieben, als entdeckt wurde, dass HIV und Hepatitis durch Bluttransfusionen übertragen werden können.

Design

Das ideale künstliche Blutprodukt hat die folgenden Eigenschaften. Erstens muss es sicher in der Anwendung und im menschlichen Körper verträglich sein. Das bedeutet, dass unterschiedliche Blutgruppen bei der Verwendung von Kunstblut keine Rolle spielen sollten. Es bedeutet auch, dass künstliches Blut verarbeitet werden kann, um alle Krankheitserreger wie Viren und Mikroorganismen zu entfernen. Zweitens muss es in der Lage sein, Sauerstoff durch den Körper zu transportieren und dort abzugeben, wo er benötigt wird. Drittens muss es lagerstabil sein. Im Gegensatz zu gespendetem Blut kann Kunstblut über ein Jahr oder länger gelagert werden. Dies steht im Gegensatz zu natürlichem Blut, das nur einen Monat lang gelagert werden kann, bevor es abgebaut wird. Es gibt zwei deutlich unterschiedliche Produkte, die sich als Blutersatzstoffe in der Entwicklung befinden. Sie unterscheiden sich vor allem darin, wie sie Sauerstoff transportieren. Eines basiert auf PFC, während das andere ein Produkt auf Hämoglobin-Basis ist.

Perfluorierte Kohlenwasserstoffe (PFC)

Wie vorgeschlagen, handelt es sich bei PFC um biologisch inerte Materialien, die etwa 50-mal mehr Sauerstoff auflösen können als Blutplasma. Sie sind relativ kostengünstig herzustellen und können frei von jeglichen biologischen Materialien hergestellt werden. Damit ist die reale Möglichkeit der Verbreitung einer Infektionskrankheit durch eine Bluttransfusion ausgeschlossen. Aus technologischer Sicht müssen sie zwei wesentliche Hürden nehmen, bevor sie als Kunstblut eingesetzt werden können. Erstens sind sie nicht wasserlöslich, was bedeutet, dass sie für ihre Wirkung mit Emulgatoren kombiniert werden müssen – Fettverbindungen, die als Lipide bezeichnet werden und in der Lage sind, winzige Partikel von Perfluorchemikalien im Blut zu suspendieren. Zweitens haben sie die Fähigkeit, viel weniger Sauerstoff zu transportieren als Produkte auf Hämoglobinbasis. Dies bedeutet, dass deutlich mehr PFC eingesetzt werden muss. Ein Produkt dieser Art wurde von der Federal Drug Administration (FDA) zur Verwendung zugelassen, war jedoch kommerziell nicht erfolgreich, da die Menge, die benötigt wird, um einen Nutzen zu erbringen, zu hoch ist. Verbesserte PFC-Emulsionen werden entwickelt, müssen aber noch den Markt erreichen.

Produkte auf Hämoglobinbasis

Hämoglobin transportiert Sauerstoff von der Lunge zu den anderen Geweben im Körper. Künstliches Blut auf Basis von Hämoglobin macht sich diese natürliche Funktion zunutze. Im Gegensatz zu PFC-Produkten, bei denen das Auflösen der Schlüsselmechanismus ist, bindet Sauerstoff kovalent an Hämoglobin. Diese Hämoglobinprodukte unterscheiden sich von Vollblut darin, dass sie nicht in einer Membran enthalten sind, sodass das Problem der Blutgruppenbestimmung beseitigt wird. Rohes Hämoglobin kann jedoch nicht verwendet werden, da es im Körper in kleinere, giftige Verbindungen zerfallen würde. Es gibt auch Probleme mit der Stabilität von Hämoglobin in einer Lösung. Die Herausforderung bei der Herstellung eines künstlichen Blutes auf Hämoglobinbasis besteht darin, das Hämoglobinmolekül so zu modifizieren, dass diese Probleme gelöst werden. Zur Stabilisierung von Hämoglobin werden verschiedene Strategien eingesetzt. Dies beinhaltet entweder chemisch Künstliches Blut kann auf verschiedene Weise durch synthetische Herstellung, chemische Isolierung oder rekombinante biochemische Technologie hergestellt werden. Synthetische Produkte auf Hämoglobinbasis werden aus Hämoglobin hergestellt, das aus E. coli gewonnen wird Bakterienstamm. Das Hämoglobin wird in einem Saattank angebaut und dann fermentiert. Vernetzung von Molekülen oder die Verwendung rekombinanter DNA-Technologie, um modifizierte Proteine ​​herzustellen. Diese modifizierten Hämoglobine sind in Lösungen stabil und löslich. Theoretisch sollten diese Modifikationen zu Produkten führen, die eine größere Fähigkeit haben, Sauerstoff zu transportieren als unsere eigenen roten Blutkörperchen. Es wird erwartet, dass die ersten dieser Produkte innerhalb von ein bis zwei Jahren verfügbar sein werden.

Rohstoffe

Je nach Art des hergestellten Kunstbluts werden unterschiedliche Rohstoffe verwendet. Produkte auf Hämoglobinbasis können entweder isoliertes Hämoglobin oder synthetisch hergestelltes Hämoglobin verwenden.

Um Hämoglobin synthetisch herzustellen, verwenden Hersteller Verbindungen, die als Aminosäuren bekannt sind. Dies sind Chemikalien, die Pflanzen und Tiere verwenden, um die lebenswichtigen Proteine ​​​​zu produzieren. Es gibt 20 natürlich vorkommende Aminosäuren, die zur Herstellung von Hämoglobin verwendet werden können. Alle Aminosäuremoleküle haben bestimmte chemische Eigenschaften. Sie bestehen aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe und einer Seitenkette. Die Natur der Seitenkette unterscheidet die verschiedenen Aminosäuren. Die Hämoglobinsynthese erfordert auch eine bestimmte Art von Bakterien und alle Materialien, die zu ihrer Inkubation benötigt werden. Dazu gehören warmes Wasser, Melasse, Glucose, Essigsäure, Alkohole, Harnstoff und flüssiges Ammoniak.

Bei anderen Arten von künstlichen Blutprodukten auf Hämoglobinbasis wird das Hämoglobin aus menschlichem Blut isoliert. Es wird in der Regel aus gespendetem Blut gewonnen, das vor der Verwendung abgelaufen ist. Andere Hämoglobinquellen stammen aus verbrauchtem Tierblut. Dieses Hämoglobin unterscheidet sich geringfügig von menschlichem Hämoglobin und muss vor der Verwendung modifiziert werden.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Herstellung von Kunstblut kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bei Produkten auf Hämoglobinbasis beinhaltet dies die Isolierung oder Synthese von Hämoglobin, die molekulare Modifikation und die anschließende Rekonstitution in einer künstlichen Blutformel. PFC-Produkte beinhalten eine Polymerisationsreaktion. Ein Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Produkts auf Hämoglobin-Basis wird unten beschrieben.

Hämoglobinsynthese

• 1 Um Hämoglobin zu erhalten, einen Stamm von E. coli Es werden Bakterien verwendet, die menschliches Hämoglobin produzieren können. Innerhalb von etwa drei Tagen wird das Protein geerntet und die Bakterien zerstört. Um den Fermentationsprozess zu starten, wird eine Probe der reinen Bakterienkultur in ein Reagenzglas überführt, das alle für das Wachstum notwendigen Nährstoffe enthält. Durch diese Erstimpfung vermehren sich die Bakterien. Wenn die Population groß genug ist, werden sie in einen Saattank überführt.
• 2 Ein Saattank ist ein großer Edelstahlkessel, der eine ideale Umgebung für wachsende Bakterien bietet. Es ist mit warmem Wasser, Nahrung und einer Ammoniakquelle gefüllt, die alle für die Produktion von Hämoglobin benötigt werden. Andere Wachstumsfaktoren wie Vitamine, Aminosäuren und Nebennährstoffe werden ebenfalls hinzugefügt. Die Bakterienlösung im Saattank wird ständig mit Druckluft umspült und durchmischt, um sie in Bewegung zu halten. Wenn genug Zeit vergangen ist, wird der Inhalt des Saattanks in den Gärtank gepumpt.
• 3 Der Gärtank ist eine größere Version des Saattanks. Es ist auch mit einem Wachstumsmedium gefüllt, das für das Wachstum der Bakterien und die Produktion von Hämoglobin benötigt wird. Da die pH-Kontrolle für ein optimales Wachstum von entscheidender Bedeutung ist, wird bei Bedarf Ammoniakwasser in den Tank gegeben. Wenn genügend Hämoglobin produziert wurde, wird der Tank geleert, damit die Isolierung beginnen kann.
• 4 Die Isolierung beginnt mit einem Zentrifugalabscheider, der einen Großteil des Hämoglobins isoliert. Es kann durch fraktionierte Destillation weiter aufgetrennt und gereinigt werden. Dieser Standard Nach der Fermentation wird das Hämoglobin gereinigt und dann mit Wasser und anderen Elektrolyten vermischt, um verwendbares Kunstblut herzustellen. Das Säulentrennverfahren basiert auf dem Prinzip des Siedens einer Flüssigkeit, um eine oder mehrere Komponenten zu trennen, und verwendet vertikale Strukturen, die als Fraktionierungssäulen bezeichnet werden. Von dieser Säule wird das Hämoglobin in einen Endverarbeitungstank überführt.

Endbearbeitung

• 5 Hier wird es mit Wasser und anderen Elektrolyten vermischt, um das Kunstblut herzustellen. Das Kunstblut kann dann pasteurisiert und in eine entsprechende Verpackung gefüllt werden. Die Qualität der Compounds wird während des gesamten Prozesses regelmäßig überprüft. Besonders wichtig sind häufige Kontrollen der Bakterienkultur. Außerdem werden verschiedene physikalische und chemische Eigenschaften des Endprodukts wie pH, Schmelzpunkt, Feuchtigkeitsgehalt usw. überprüft. Diese Produktionsmethode hat sich als in der Lage gezeigt, Chargen von bis zu 2.640 gal (10.000 L) herzustellen.

Die Zukunft

Derzeit arbeiten mehrere Unternehmen an der Herstellung eines sicheren und wirksamen künstlichen Blutersatzes. Die verschiedenen Blutersatzstoffe unterliegen alle gewissen Einschränkungen. Zum Beispiel halten die meisten Produkte auf Hämoglobin-Basis nicht länger als 20-30 Stunden im Körper. Dies ist vergleichbar mit Vollbluttransfusionen, die 34 Tage dauern. Außerdem ahmen diese Blutersatzstoffe nicht die Fähigkeit des Blutes nach, Krankheiten und Blutgerinnsel zu bekämpfen. Folglich wird die derzeitige künstliche Bluttechnologie auf kurzfristige Blutersatzanwendungen beschränkt sein. Für die Zukunft ist zu erwarten, dass neue Materialien zum Transport von Sauerstoff im Körper gefunden werden. Darüber hinaus sollten Produkte mit längerer Haltbarkeit sowie Produkte entwickelt werden, die die anderen Funktionen des Blutes erfüllen.