Sangue Artificial

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O sangue artificial é um produto feito para substituir os glóbulos vermelhos. Embora o sangue verdadeiro tenha muitas funções diferentes, o sangue artificial é projetado com o único propósito de transportar oxigênio e dióxido de carbono por todo o corpo. Dependendo do tipo de sangue artificial, ele pode ser produzido de diferentes maneiras usando produção sintética, isolamento químico ou tecnologia bioquímica recombinante. O desenvolvimento dos primeiros substitutos do sangue remonta ao início dos anos 1600, e a busca pelo substituto do sangue ideal continua. Vários fabricantes possuem produtos em ensaios clínicos; entretanto, nenhum produto de sangue artificial verdadeiramente seguro e eficaz é comercializado atualmente. Prevê-se que, quando um produto de sangue artificial estiver disponível, ele terá vendas anuais de mais de US $ 7,6 bilhões apenas nos Estados Unidos.

Antecedentes

O sangue é um tipo especial de tecido conjuntivo composto de glóbulos brancos, glóbulos vermelhos, plaquetas e plasma. Ele tem uma variedade de funções no corpo. O plasma é o material extracelular feito de água, sais e várias proteínas que, junto com as plaquetas, estimula a coagulação do sangue. As proteínas do plasma reagem com o ar e endurecem para evitar mais sangramento. Os glóbulos brancos são responsáveis ​​pela defesa imunológica. Eles procuram organismos ou materiais invasores e minimizam seus efeitos no corpo.

Os glóbulos vermelhos do sangue criam a cor vermelha brilhante. Apenas duas gotas de sangue contêm cerca de um bilhão de glóbulos vermelhos. Essas células são responsáveis ​​pelo transporte de oxigênio e dióxido de carbono por todo o corpo. Eles também são responsáveis ​​pelos fenômenos de "digitação". Nas membranas dessas células estão proteínas que o corpo reconhece como suas. Por esse motivo, uma pessoa só pode usar sangue compatível com seu tipo. Atualmente, os produtos de sangue artificial são projetados apenas para substituir a função dos glóbulos vermelhos. Pode até ser melhor chamar os produtos em desenvolvimento agora de transportadores de oxigênio em vez de sangue artificial.

História

Há necessidade de reposições de sangue desde que os pacientes sangrem até morrer devido a uma lesão grave. De acordo com o folclore médico, os antigos Incas foram responsáveis ​​pelas primeiras transfusões de sangue registradas. Nenhum progresso real foi feito no desenvolvimento de um substituto do sangue até 1616, quando William Harvey descreveu como o sangue circula por todo o corpo. Nos anos que se seguiram, os médicos experimentaram várias substâncias, como cerveja, urina, leite, resinas vegetais e sangue de ovelha como substituto do sangue. Eles esperavam que a mudança no sangue de uma pessoa pudesse ter diferentes efeitos benéficos, como a cura de doenças ou até mesmo a mudança de uma personalidade. As primeiras transfusões de sangue humano bem-sucedidas foram feitas em 1667. Infelizmente, a prática foi interrompida porque os pacientes que receberam transfusões subsequentes morreram.

Dos diferentes materiais que foram testados como substitutos do sangue ao longo dos anos, apenas alguns tiveram sucesso mínimo. O leite foi um dos primeiros desses materiais. Em 1854, os pacientes foram injetados com leite para tratar a cólera asiática. Os médicos acreditavam que o leite ajudava a regenerar os glóbulos brancos. Na verdade, um número suficiente de pacientes que receberam leite como substituto do sangue parecia melhorar, concluindo-se que era um procedimento de substituição de sangue seguro e legítimo. No entanto, muitos médicos permaneceram céticos, então as injeções de leite nunca tiveram um apelo generalizado. Logo foi descartado e esquecido como substituto do sangue.

Outro substituto potencial eram soluções salinas ou salinas. Em experimentos feitos com sapos, os cientistas descobriram que poderiam mantê-los vivos por algum tempo se removessem todo o sangue e o substituíssem por uma solução salina. Esses resultados foram um pouco enganosos, no entanto, porque mais tarde foi determinado que as rãs poderiam sobreviver por um curto período de tempo sem qualquer circulação sanguínea. Depois de muita pesquisa, a solução salina foi desenvolvida como um expansor de volume plasmático.

Outros materiais que foram testados durante os anos 1800 incluem hemoglobina e plasma animal. Em 1868, os pesquisadores descobriram que as soluções contendo hemoglobina isolada dos glóbulos vermelhos podiam ser usadas como substitutos do sangue. Em 1871, eles também examinaram o uso de plasma e sangue animal como substituto do sangue humano. Ambas as abordagens foram prejudicadas por problemas tecnológicos significativos. Primeiro, os cientistas acharam difícil isolar um grande volume de hemoglobina. Em segundo lugar, os produtos animais continham muitos materiais tóxicos para os humanos. Remover essas toxinas foi um desafio durante o século XIX.

Um avanço significativo no desenvolvimento do sangue artificial veio em 1883 com a criação da solução de Ringer - uma solução composta de sais de sódio, potássio e cálcio. Em pesquisas usando parte do coração de um sapo, os cientistas descobriram que o coração poderia continuar batendo aplicando a solução. Isso acabou levando à descoberta de que a redução da pressão arterial causada pela perda de volume sanguíneo poderia ser restaurada com o uso de solução de Ringer. Este produto evoluiu para um produto humano quando o lactato foi adicionado. Embora ainda seja usado hoje como expansor do volume sanguíneo, a solução de Ringer não substitui a ação dos glóbulos vermelhos, portanto não é um verdadeiro substituto do sangue.

Karl Landsteiner

Karl Landsteiner, que já foi chamado de pai da imunologia, era filho único de Leopold Landsteiner, um proeminente jornalista e editor austríaco, e de Fanny Hess Landsteiner. Landsteiner foi educado na Universidade de Viena, onde se formou em medicina em 1891. Enquanto cursava a faculdade de medicina, Landsteiner começou a trabalhar como químico experimental, pois foi muito inspirado por Ernst Ludwig, um de seus professores. Depois de receber seu diploma de médico, Landsteiner passou os cinco anos seguintes fazendo pesquisas avançadas em química orgânica para Emil Fischer, embora a medicina continuasse sendo seu principal interesse. Durante 1886-1897, ele combinou esses interesses no Instituto de Higiene da Universidade de Viena, onde pesquisou imunologia e sorologia. A imunologia e a sorologia se tornaram o foco de toda a vida de Landsteiner. Landsteiner estava principalmente interessado na falta de segurança e eficácia das transfusões de sangue. Antes de seu trabalho, as transfusões de sangue eram perigosas e subutilizadas porque o sangue do doador frequentemente coagulava no paciente. Landsteiner ficou intrigado com o fato de que, quando o sangue de diferentes indivíduos era misturado, o sangue nem sempre coagulava. Ele acreditava que havia semelhanças e diferenças bioquímicas intrínsecas no sangue.

Usando amostras de sangue de seus colegas, ele separou as células do sangue de seu soro e suspendeu as hemácias em solução salina. Ele então misturou o soro de cada indivíduo com uma amostra de cada suspensão de células. A coagulação ocorreu em alguns cuidados; em outros não houve coagulação. Landsteiner determinou que os seres humanos podem ser separados em grupos sanguíneos de acordo com a capacidade de suas células vermelhas coagularem na presença de diferentes soros. Ele nomeou sua classificação sanguínea como grupos A, B e O. Um quarto grupo AB foi descoberto no ano seguinte. O resultado desse trabalho foi que o paciente e o doador puderam ser previamente testados, tornando a transfusão de sangue uma prática médica segura e rotineira. Essa descoberta valeu a Landsteiner o Prêmio Nobel de fisiologia ou medicina de 1930.

A pesquisa sobre transfusão de sangue não avançou até que os cientistas desenvolveram uma melhor compreensão do papel do sangue e das questões que envolvem sua função no corpo. Durante a Primeira Guerra Mundial, uma goma-solução salina contendo ácido galactoso-glucônico foi usada para estender o plasma. Se a concentração, o pH e a temperatura forem ajustados, esse material pode ser projetado para corresponder à viscosidade do sangue total, permitindo que os médicos usem menos plasma. Na década de 1920, estudos sugeriram que essa solução de goma tinha alguns efeitos negativos para a saúde. Na década de 1930, o uso desse material diminuiu significativamente. A Segunda Guerra Mundial reacendeu o interesse pela pesquisa de sangue e seus substitutos. O plasma doado por humanos era comumente usado para substituir o sangue e para salvar soldados do choque hemorrágico. Eventualmente, isso levou ao estabelecimento de bancos de sangue pela Cruz Vermelha americana em 1947.

Em 1966, experimentos com ratos sugeriram um novo tipo de substituto do sangue, os perfluorquímicos (PFC). Estes são polímeros de cadeia longa semelhantes ao Teflon. Verificou-se que os ratos podem sobreviver mesmo depois de serem imersos em PFC. Isso deu aos cientistas a ideia de usar o PFC como um diluente do sangue. Em 1968, a ideia foi testada em ratos. O sangue do rato foi completamente removido e substituído por uma emulsão de PFC. Os animais viveram por algumas horas e se recuperaram totalmente depois que seu sangue foi reposto.

No entanto, o sistema de banco de sangue estabelecido funcionou tão bem que as pesquisas sobre substitutos do sangue diminuíram. Recebeu interesse renovado quando as deficiências do sistema de banco de sangue foram descobertas durante o conflito do Vietnã. Isso levou alguns pesquisadores a começar a procurar soluções de hemoglobina e outros transportadores sintéticos de oxigênio. A pesquisa nessa área foi estimulada ainda mais em 1986, quando foi descoberto que o HIV e a hepatite podiam ser transmitidos por meio de transfusões de sangue.

Design

O produto de sangue artificial ideal possui as seguintes características. Primeiro, deve ser seguro para uso e compatível com o corpo humano. Isso significa que os diferentes tipos de sangue não devem importar quando um sangue artificial é usado. Também significa que o sangue artificial pode ser processado para remover todos os agentes causadores de doenças, como vírus e microorganismos. Em segundo lugar, deve ser capaz de transportar oxigênio por todo o corpo e liberá-lo onde for necessário. Terceiro, deve ser estável em armazenamento. Ao contrário do sangue doado, o sangue artificial pode ser armazenado por mais de um ano ou mais. Isso contrasta com o sangue natural, que só pode ser armazenado por um mês antes de se decompor. Existem dois produtos significativamente diferentes que estão sendo desenvolvidos como substitutos do sangue. Eles diferem principalmente na maneira como transportam oxigênio. Um é baseado em PFC, enquanto o outro é um produto à base de hemoglobina.

Perfluorocarbonos (PFC)

Como sugerido, os PFCs são materiais biologicamente inertes que podem dissolver cerca de 50 vezes mais oxigênio do que o plasma sanguíneo. Eles são relativamente baratos de produzir e podem ser feitos sem qualquer material biológico. Isso elimina a possibilidade real de propagação de uma doença infecciosa por meio de uma transfusão de sangue. Do ponto de vista tecnológico, eles têm dois obstáculos significativos a superar antes que possam ser utilizados como sangue artificial. Primeiro, eles não são solúveis em água, o que significa que para fazê-los funcionar, eles devem ser combinados com emulsificantes - compostos graxos chamados lipídios, que são capazes de suspender partículas minúsculas de perfluoroquímicos no sangue. Em segundo lugar, eles têm a capacidade de transportar muito menos oxigênio do que os produtos à base de hemoglobina. Isso significa que muito mais PFC deve ser usado. Um produto desse tipo foi aprovado para uso pela Federal Drug Administration (FDA), mas não foi comercialmente bem-sucedido porque a quantidade necessária para fornecer um benefício é muito alta. Emulsões de PFC aprimoradas estão sendo desenvolvidas, mas ainda não chegaram ao mercado.

Produtos à base de hemoglobina

A hemoglobina transporta oxigênio dos pulmões para outros tecidos do corpo. O sangue artificial à base de hemoglobina aproveita essa função natural. Ao contrário dos produtos PFC, onde a dissolução é o mecanismo principal, o oxigênio se liga covalentemente à hemoglobina. Esses produtos de hemoglobina são diferentes do sangue total porque não estão contidos em uma membrana, de modo que o problema da tipagem sanguínea é eliminado. No entanto, a hemoglobina bruta não pode ser usada porque se decompõe em compostos tóxicos menores dentro do corpo. Também existem problemas com a estabilidade da hemoglobina em uma solução. O desafio de criar um sangue artificial à base de hemoglobina é modificar a molécula de hemoglobina para que esses problemas sejam resolvidos. Várias estratégias são empregadas para estabilizar a hemoglobina. Isso envolve quimicamente O sangue artificial pode ser produzido de diferentes maneiras usando produção sintética, isolamento químico ou tecnologia bioquímica recombinante. Produtos à base de hemoglobina sintética são produzidos a partir de hemoglobina colhida de uma E. coli cepa de bactérias. A hemoglobina é cultivada em um tanque de sementes e depois fermentada. moléculas de ligação cruzada ou usando tecnologia de DNA recombinante para produzir proteínas modificadas. Essas hemoglobinas modificadas são estáveis ​​e solúveis em soluções. Teoricamente, essas modificações deveriam resultar em produtos com maior capacidade de transportar oxigênio do que nossos próprios glóbulos vermelhos. Prevê-se que o primeiro desses produtos estará disponível dentro de um a dois anos.

Matérias-primas

Dependendo do tipo de sangue artificial que é feito, várias matérias-primas são usadas. Produtos à base de hemoglobina podem usar hemoglobina isolada ou hemoglobina produzida sinteticamente.

Para produzir hemoglobina sinteticamente, os fabricantes usam compostos conhecidos como aminoácidos. São substâncias químicas que as plantas e os animais usam para criar as proteínas essenciais à vida. Existem 20 aminoácidos de ocorrência natural que podem ser usados ​​para produzir hemoglobina. Todas as moléculas de aminoácidos compartilham certas características químicas. Eles são compostos de um grupo amino, um grupo carboxila e uma cadeia lateral. A natureza da cadeia lateral diferencia os vários aminoácidos. A síntese de hemoglobina também requer um tipo específico de bactéria e todos os materiais necessários para incubá-la. Isso inclui água quente, melaço, glicose, ácido acético, álcoois, ureia e amônia líquida.

Para outros tipos de produtos de sangue artificial baseados em hemoglobina, a hemoglobina é isolada do sangue humano. Normalmente é obtido a partir de sangue doado que expirou antes de ser usado. Outras fontes de hemoglobina vêm do sangue animal gasto. Esta hemoglobina é ligeiramente diferente da hemoglobina humana e deve ser modificada antes de ser usada.

O processo de fabricação

A produção de sangue artificial pode ser feita de várias maneiras. Para produtos à base de hemoglobina, isso envolve isolamento ou síntese de hemoglobina, modificação molecular e reconstituição em uma fórmula de sangue artificial. Os produtos de PFC envolvem uma reação de polimerização. Um método para a produção de um produto sintético à base de hemoglobina é descrito abaixo.

Síntese de hemoglobina

• 1 Para obter hemoglobina, uma cepa de E. coli bactéria que tem a capacidade de produzir hemoglobina humana é usada. Ao longo de cerca de três dias, a proteína é colhida e as bactérias são destruídas. Para iniciar o processo de fermentação, uma amostra da cultura pura de bactérias é transferida para um tubo de ensaio que contém todos os nutrientes necessários para o crescimento. Essa inoculação inicial faz com que as bactérias se multipliquem. Quando a população é grande o suficiente, eles são transferidos para um tanque de sementes.
• 2 Um tanque de sementes é uma grande chaleira de aço inoxidável que oferece um ambiente ideal para o cultivo de bactérias. Ele é preenchido com água morna, comida e uma fonte de amônia, todos necessários para a produção de hemoglobina. Outros fatores de crescimento, como vitaminas, aminoácidos e nutrientes secundários também são adicionados. A solução bacteriana dentro do tanque de sementes é constantemente banhada com ar comprimido e misturada para mantê-la em movimento. Quando passa tempo suficiente, o conteúdo do tanque de sementes é bombeado para o tanque de fermentação.
• 3 O tanque de fermentação é uma versão maior do tanque de sementes. Ele também é preenchido com um meio de crescimento necessário para que a bactéria cresça e produza hemoglobina. Uma vez que o controle do pH é vital para um crescimento ideal, água com amônia é adicionada ao tanque conforme necessário. Quando uma quantidade suficiente de hemoglobina é produzida, o tanque é esvaziado para que o isolamento possa começar.
• 4 O isolamento começa com um separador centrífugo que isola grande parte da hemoglobina. Ele pode ser posteriormente segregado e purificado usando destilação fracionada. Este padrão Uma vez fermentada, a hemoglobina é purificada e então misturada com água e outros eletrólitos para criar sangue artificial utilizável. O método de separação de coluna é baseado no princípio de ferver um líquido para separar um ou mais componentes e utiliza estruturas verticais chamadas colunas de fracionamento. Desta coluna, a hemoglobina é transferida para um tanque de processamento final.

Processamento final

• 5 Aqui, ele é misturado com água e outros eletrólitos para produzir o sangue artificial. O sangue artificial pode então ser pasteurizado e colocado em uma embalagem apropriada. A qualidade dos compostos é verificada regularmente durante todo o processo. Particularmente importantes são as verificações frequentes feitas na cultura bacteriana. Além disso, várias propriedades físicas e químicas do produto acabado são verificadas, como pH, ponto de fusão, teor de umidade, etc. Este método de produção demonstrou ser capaz de produzir lotes de até 2.640 gal (10.000 L).

O Futuro

Atualmente, existem várias empresas trabalhando na produção de um substituto artificial do sangue seguro e eficaz. Todos os vários substitutos do sangue sofrem de certas limitações. Por exemplo, a maioria dos produtos à base de hemoglobina não duram mais do que 20-30 horas no corpo. Isso se compara a transfusões de sangue total que dura 34 dias. Além disso, esses substitutos do sangue não imitam a capacidade do sangue de combater doenças e coagular. Consequentemente, a tecnologia atual de sangue artificial será limitada a aplicações de reposição de sangue de curto prazo. No futuro, prevê-se que novos materiais para transportar oxigênio no corpo serão encontrados. Além disso, produtos mais duradouros devem ser desenvolvidos, assim como produtos que desempenhem as demais funções do sangue.