Sangre artificial

La sangre artificial es un producto elaborado para sustituir a los glóbulos rojos. Si bien la sangre verdadera tiene muchas funciones diferentes, la sangre artificial está diseñada con el único propósito de transportar oxígeno y dióxido de carbono por todo el cuerpo. Dependiendo del tipo de sangre artificial, se puede producir de diferentes formas utilizando producción sintética, aislamiento químico o tecnología bioquímica recombinante. El desarrollo de los primeros sustitutos de sangre se remonta a principios del siglo XVII y continúa la búsqueda del sustituto de sangre ideal. Varios fabricantes tienen productos en ensayos clínicos; sin embargo, actualmente no se comercializa ningún producto sanguíneo artificial verdaderamente seguro y eficaz. Se prevé que cuando esté disponible un producto de sangre artificial, tendrá ventas anuales de más de $ 7,6 mil millones solo en los Estados Unidos.

Antecedentes

La sangre es un tipo especial de tejido conectivo que está compuesto por glóbulos blancos, glóbulos rojos, plaquetas y plasma. Tiene una variedad de funciones en el cuerpo. El plasma es el material extracelular compuesto de agua, sales y diversas proteínas que, junto con las plaquetas, estimulan la coagulación de la sangre. Las proteínas del plasma reaccionan con el aire y se endurecen para evitar más hemorragias. Los glóbulos blancos son responsables de la defensa inmunológica. Buscan organismos o materiales invasores y minimizan su efecto en el cuerpo.

Los glóbulos rojos de la sangre crean el color rojo brillante. Tan solo dos gotas de sangre contienen alrededor de mil millones de glóbulos rojos. Estas células son responsables del transporte de oxígeno y dióxido de carbono por todo el cuerpo. También son responsables del fenómeno de "mecanografía". En las membranas de estas células hay proteínas que el cuerpo reconoce como propias. Por esta razón, una persona solo puede usar sangre que sea compatible con su tipo. Actualmente, los hemoderivados artificiales solo están diseñados para reemplazar la función de los glóbulos rojos. Incluso podría ser mejor llamar a los productos que se están desarrollando ahora, portadores de oxígeno en lugar de sangre artificial.

Historial

Ha habido una necesidad de reemplazos de sangre desde que los pacientes han estado desangrándose hasta morir debido a una lesión grave. Según el folclore médico, los antiguos incas fueron los responsables de las primeras transfusiones de sangre registradas. No se logró ningún progreso real en el desarrollo de un sustituto de la sangre hasta 1616, cuando William Harvey describió cómo circula la sangre por todo el cuerpo. En los años siguientes, los médicos probaron numerosas sustancias como cerveza, orina, leche, resinas vegetales y sangre de oveja como sustituto de la sangre. Tenían la esperanza de que cambiar la sangre de una persona pudiera tener diferentes efectos beneficiosos, como curar enfermedades o incluso cambiar una personalidad. Las primeras transfusiones de sangre humana exitosas se realizaron en 1667. Desafortunadamente, la práctica se detuvo porque los pacientes que recibieron transfusiones posteriores murieron.

De los diferentes materiales que se probaron como sustitutos de la sangre a lo largo de los años, solo unos pocos tuvieron un éxito mínimo. La leche fue uno de los primeros de estos materiales. En 1854, se inyectó leche a los pacientes para tratar el cólera asiático. Los médicos creían que la leche ayudaba a regenerar los glóbulos blancos. De hecho, suficientes pacientes que recibieron leche como sustituto de la sangre parecieron mejorar y se concluyó que era un procedimiento de reemplazo de sangre seguro y legítimo. Sin embargo, muchos practicantes se mantuvieron escépticos, por lo que las inyecciones de leche nunca encontraron un atractivo generalizado. Pronto fue descartado y olvidado como reemplazo de sangre.

Otro posible sustituto eran las soluciones salinas o salinas. En experimentos realizados con ranas, los científicos descubrieron que podían mantener vivas a las ranas durante algún tiempo si extraían toda su sangre y la reemplazaban con una solución salina. Sin embargo, estos resultados fueron un poco engañosos, porque más tarde se determinó que las ranas podían sobrevivir por un corto tiempo sin ninguna circulación sanguínea. Después de mucha investigación, se desarrolló la solución salina como expansor del volumen plasmático.

Otros materiales que se probaron durante el siglo XIX incluyen hemoglobina y plasma animal. En 1868, los investigadores encontraron que las soluciones que contienen hemoglobina aislada de los glóbulos rojos podrían usarse como sustitutos de la sangre. En 1871, también examinaron el uso de sangre y plasma animal como sustituto de la sangre humana. Ambos enfoques se vieron obstaculizados por importantes problemas tecnológicos. Primero, a los científicos les resultó difícil aislar un gran volumen de hemoglobina. En segundo lugar, los productos animales contenían muchos materiales que eran tóxicos para los humanos. Eliminar estas toxinas fue un desafío durante el siglo XIX.

Un avance significativo en el desarrollo de sangre artificial se produjo en 1883 con la creación de la solución de Ringer, una solución compuesta de sales de sodio, potasio y calcio. En una investigación que utilizó parte del corazón de una rana, los científicos descubrieron que el corazón podría mantenerse latiendo aplicando la solución. Esto finalmente condujo a hallazgos de que la reducción de la presión arterial causada por una pérdida de volumen sanguíneo podría restaurarse mediante el uso de la solución de Ringer. Este producto se convirtió en un producto humano cuando se añadió lactato. Si bien todavía se usa hoy en día como expansor del volumen de sangre, la solución de Ringer no reemplaza la acción de los glóbulos rojos, por lo que no es un verdadero sustituto de la sangre.

Karl Landsteiner

Karl Landsteiner, a quien se ha llamado el padre de la inmunología, era el único hijo de Leopold Landsteiner, un destacado periodista y editor austríaco, y Fanny Hess Landsteiner. Landsteiner se educó en la Universidad de Viena, donde recibió su título de médico en 1891. Mientras estaba en la escuela de medicina, Landsteiner comenzó un trabajo experimental en química, ya que se inspiró en gran medida en Ernst Ludwig, uno de sus profesores. Después de recibir su título de médico, Landsteiner pasó los siguientes cinco años realizando investigaciones avanzadas en química orgánica para Emil Fischer, aunque la medicina siguió siendo su principal interés. Durante 1886-1897, combinó estos intereses en el Instituto de Higiene de la Universidad de Viena, donde investigó inmunología y serología. La inmunología y la serología se convirtieron entonces en el enfoque de toda la vida de Landsteiner. Landsteiner estaba principalmente interesado en la falta de seguridad y eficacia de las transfusiones de sangre. Antes de su trabajo, las transfusiones de sangre eran peligrosas y subutilizadas porque la sangre del donante se coagulaba con frecuencia en el paciente. Landsteiner estaba intrigado por el hecho de que cuando se mezclaba sangre de diferentes sujetos, la sangre no siempre coagulaba. Creía que había similitudes bioquímicas intrínsecas y diferencias en la sangre.

Utilizando muestras de sangre de sus colegas, separó las células sanguíneas de su suero y suspendió los glóbulos rojos en una solución salina. Luego mezcló el suero de cada individuo con una muestra de cada suspensión celular. Se produjo coagulación en algunos cuidados; en otros no hubo coagulación. Landsteiner determinó que los seres humanos podrían dividirse en grupos sanguíneos de acuerdo con la capacidad de coagulación de sus glóbulos rojos en presencia de diferentes sueros. Llamó a su clasificación sanguínea grupos A, B y O. Un cuarto grupo AB fue descubierto al año siguiente. El resultado de este trabajo fue que al paciente y al donante se les pudo realizar el tipo de sangre de antemano, haciendo de la transfusión de sangre una práctica médica segura y rutinaria. Este descubrimiento finalmente le valió a Landsteiner el premio Nobel de fisiología o medicina en 1930.

La investigación sobre transfusiones de sangre no avanzó hasta que los científicos desarrollaron una mejor comprensión del papel de la sangre y los problemas que rodean su función en el cuerpo. Durante la Primera Guerra Mundial, se utilizó una solución salina de goma que contenía ácido galactoso-glucónico para extender el plasma. Si se ajustaran la concentración, el pH y la temperatura, este material podría diseñarse para igualar la viscosidad de la sangre completa, lo que permitiría a los médicos usar menos plasma. En la década de 1920, los estudios sugirieron que esta solución de goma de mascar tenía algunos efectos negativos para la salud. En la década de 1930, el uso de este material había disminuido significativamente. La Segunda Guerra Mundial reavivó el interés en la investigación de la sangre y los sucedáneos de la sangre. El plasma donado de humanos se usaba comúnmente para reemplazar la sangre y salvar a los soldados del shock hemorrágico. Finalmente, esto llevó al establecimiento de bancos de sangre por parte de la Cruz Roja Americana en 1947.

En 1966, experimentos con ratones sugirieron un nuevo tipo de sustituto de la sangre, los perfluoroquímicos (PFC). Estos son polímeros de cadena larga similares al teflón. Se descubrió que los ratones podían sobrevivir incluso después de haber sido sumergidos en PFC. Esto dio a los científicos la idea de utilizar PFC como anticoagulante. En 1968, la idea se probó en ratas. La sangre de la rata se eliminó por completo y se reemplazó con una emulsión de PFC. Los animales vivieron unas pocas horas y se recuperaron por completo después de que se reemplazó su sangre.

Sin embargo, el sistema de banco de sangre establecido funcionó tan bien que la investigación sobre los sustitutos de la sangre se desvaneció. Recibió un renovado interés cuando se descubrieron las deficiencias del sistema de bancos de sangre durante el conflicto de Vietnam. Esto llevó a algunos investigadores a comenzar a buscar soluciones de hemoglobina y otros transportadores de oxígeno sintéticos. La investigación en esta área fue impulsada aún más en 1986 cuando se descubrió que el VIH y la hepatitis podían transmitirse a través de transfusiones de sangre.

Diseño

El producto sanguíneo artificial ideal tiene las siguientes características. Primero, debe ser seguro de usar y compatible dentro del cuerpo humano. Esto significa que los diferentes tipos de sangre no deberían importar cuando se usa sangre artificial. También significa que la sangre artificial se puede procesar para eliminar todos los agentes causantes de enfermedades, como virus y microorganismos. En segundo lugar, debe poder transportar oxígeno por todo el cuerpo y liberarlo donde se necesita. En tercer lugar, debe ser estable en almacenamiento. A diferencia de la sangre donada, la sangre artificial se puede almacenar durante más de un año o más. Esto contrasta con la sangre natural que solo se puede almacenar durante un mes antes de que se descomponga. Hay dos productos significativamente diferentes que se están desarrollando como sustitutos de la sangre. Se diferencian principalmente en la forma en que transportan oxígeno. Uno se basa en PFC, mientras que el otro es un producto a base de hemoglobina.

Perfluorocarbonos (PFC)

Como se sugirió, los PFC son materiales biológicamente inertes que pueden disolver aproximadamente 50 veces más oxígeno que el plasma sanguíneo. Son relativamente económicos de producir y pueden fabricarse sin ningún material biológico. Esto elimina la posibilidad real de propagar una enfermedad infecciosa a través de una transfusión de sangre. Desde un punto de vista tecnológico, tienen dos obstáculos importantes que superar antes de que puedan utilizarse como sangre artificial. Primero, no son solubles en agua, lo que significa que para que funcionen deben combinarse con emulsionantes, compuestos grasos llamados lípidos que pueden suspender pequeñas partículas de perfluoroquímicos en la sangre. En segundo lugar, tienen la capacidad de transportar mucho menos oxígeno que los productos a base de hemoglobina. Esto significa que se debe utilizar una cantidad significativamente mayor de PFC. Un producto de este tipo ha sido aprobado para su uso por la Administración Federal de Drogas (FDA), pero no ha tenido éxito comercial porque la cantidad necesaria para proporcionar un beneficio es demasiado alta. Se están desarrollando emulsiones mejoradas de PFC, pero aún no han llegado al mercado.

Productos a base de hemoglobina

La hemoglobina transporta oxígeno desde los pulmones a otros tejidos del cuerpo. La sangre artificial a base de hemoglobina aprovecha esta función natural. A diferencia de los productos PFC, donde la disolución es el mecanismo clave, el oxígeno se une covalentemente a la hemoglobina. Estos productos de hemoglobina son diferentes de la sangre total en que no están contenidos en una membrana, por lo que se elimina el problema de la tipificación sanguínea. Sin embargo, la hemoglobina cruda no se puede usar porque se descompondría en compuestos tóxicos más pequeños dentro del cuerpo. También existen problemas con la estabilidad de la hemoglobina en una solución. El desafío de crear una sangre artificial a base de hemoglobina es modificar la molécula de hemoglobina para que se resuelvan estos problemas. Se emplean varias estrategias para estabilizar la hemoglobina. Esto implica químicamente La sangre artificial se puede producir de diferentes formas utilizando producción sintética, aislamiento químico o tecnología bioquímica recombinante. Los productos sintéticos a base de hemoglobina se producen a partir de hemoglobina extraída de una E. coli cepa de bacterias. La hemoglobina se cultiva en un tanque de semillas y luego se fermenta. moléculas de entrecruzamiento o el uso de tecnología de ADN recombinante para producir proteínas modificadas. Estas hemoglobinas modificadas son estables y solubles en soluciones. Teóricamente, estas modificaciones deberían dar como resultado productos que tengan una mayor capacidad para transportar oxígeno que nuestros propios glóbulos rojos. Se prevé que el primero de estos productos estará disponible en uno o dos años.

Materias primas

Dependiendo del tipo de sangre artificial que se fabrique, se utilizan diversas materias primas. Los productos a base de hemoglobina pueden utilizar hemoglobina aislada o hemoglobina producida sintéticamente.

Para producir hemoglobina sintéticamente, los fabricantes utilizan compuestos conocidos como aminoácidos. Estos son productos químicos que las plantas y los animales utilizan para crear las proteínas que son esenciales para la vida. Hay 20 aminoácidos naturales que pueden usarse para producir hemoglobina. Todas las moléculas de aminoácidos comparten ciertas características químicas. Están formados por un grupo amino, un grupo carboxilo y una cadena lateral. La naturaleza de la cadena lateral diferencia los distintos aminoácidos. La síntesis de hemoglobina también requiere un tipo específico de bacteria y todos los materiales necesarios para incubarla. Esto incluye agua tibia, melaza, glucosa, ácido acético, alcoholes, urea y amoníaco líquido.

Para otros tipos de productos sanguíneos artificiales basados ​​en hemoglobina, la hemoglobina se aísla de la sangre humana. Por lo general, se obtiene de sangre donada que ha caducado antes de su uso. Otras fuentes de hemoglobina provienen de sangre animal gastada. Esta hemoglobina es ligeramente diferente de la hemoglobina humana y debe modificarse antes de usarse.

El
proceso de fabricación

La producción de sangre artificial se puede realizar de diversas formas. Para los productos a base de hemoglobina, esto implica el aislamiento o la síntesis de hemoglobina, la modificación molecular y luego la reconstitución en una fórmula de sangre artificial. Los productos PFC implican una reacción de polimerización. A continuación se describe un método para la producción de un producto sintético a base de hemoglobina.

Síntesis de hemoglobina

• 1 Para obtener hemoglobina, una cepa de E. coli Se utiliza una bacteria que tiene la capacidad de producir hemoglobina humana. En el transcurso de aproximadamente tres días, se recolecta la proteína y se destruyen las bacterias. Para iniciar el proceso de fermentación, se transfiere una muestra del cultivo de bacterias puras a un tubo de ensayo que contiene todos los nutrientes necesarios para el crecimiento. Esta inoculación inicial hace que las bacterias se multipliquen. Cuando la población es lo suficientemente grande, se transfieren a un tanque de semillas.
• 2 Un tanque de semillas es una olla grande de acero inoxidable que proporciona un ambiente ideal para el crecimiento de bacterias. Está lleno de agua tibia, alimentos y una fuente de amoníaco que son necesarios para la producción de hemoglobina. También se agregan otros factores de crecimiento como vitaminas, aminoácidos y nutrientes menores. La solución bacteriana dentro del tanque de semillas se baña constantemente con aire comprimido y se mezcla para mantenerla en movimiento. Cuando ha pasado suficiente tiempo, el contenido del tanque de semillas se bombea al tanque de fermentación.
• 3 El tanque de fermentación es una versión más grande del tanque de semillas. También está lleno de un medio de crecimiento necesario para que las bacterias crezcan y produzcan hemoglobina. Dado que el control del pH es vital para un crecimiento óptimo, se agrega agua amoniacal al tanque según sea necesario. Cuando se ha producido suficiente hemoglobina, el tanque se vacía para que pueda comenzar el aislamiento.
• 4 El aislamiento comienza con un separador centrífugo que aísla gran parte de la hemoglobina. Puede segregarse y purificarse aún más mediante destilación fraccionada. Este estándar Una vez fermentada, la hemoglobina se purifica y luego se mezcla con agua y otros electrolitos para crear sangre artificial utilizable. El método de separación de columnas se basa en el principio de hervir un líquido para separar uno o más componentes y utiliza estructuras verticales llamadas columnas de fraccionamiento. Desde esta columna, la hemoglobina se transfiere a un tanque de procesamiento final.

Procesamiento final

• 5 Aquí, se mezcla con agua y otros electrolitos para producir la sangre artificial. A continuación, la sangre artificial se puede pasteurizar y colocar en un envase adecuado. La calidad de los compuestos se comprueba periódicamente durante todo el proceso. De particular importancia son los controles frecuentes realizados en el cultivo bacteriano. Además, se verifican varias propiedades físicas y químicas del producto terminado, como el pH, el punto de fusión, el contenido de humedad, etc. Se ha demostrado que este método de producción puede producir lotes de hasta 2640 gal (10,000 L).

El futuro

Actualmente, hay varias empresas que trabajan en la producción de un sustituto de sangre artificial seguro y eficaz. Los diversos sustitutos de la sangre tienen ciertas limitaciones. Por ejemplo, la mayoría de los productos a base de hemoglobina no duran más de 20 a 30 horas en el cuerpo. Esto se compara con las transfusiones de sangre total que duran 34 días. Además, estos sustitutos de la sangre no imitan la capacidad de la sangre para combatir enfermedades y coagularse. En consecuencia, la tecnología de sangre artificial actual se limitará a aplicaciones de reemplazo de sangre a corto plazo. En el futuro, se prevé que se encontrarán nuevos materiales para transportar oxígeno en el cuerpo. Además, se deben desarrollar productos de mayor duración, así como productos que realicen las otras funciones de la sangre.