Sang artificiel

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Le sang artificiel est un produit conçu pour remplacer les globules rouges. Alors que le vrai sang remplit de nombreuses fonctions différentes, le sang artificiel est conçu dans le seul but de transporter l'oxygène et le dioxyde de carbone dans tout le corps. Selon le type de sang artificiel, il peut être produit de différentes manières en utilisant la production synthétique, l'isolement chimique ou la technologie biochimique recombinante. Le développement des premiers substituts sanguins remonte au début des années 1600 et la recherche du substitut sanguin idéal se poursuit. Divers fabricants ont des produits en essais cliniques; cependant, aucun produit sanguin artificiel vraiment sûr et efficace n'est actuellement commercialisé. Il est prévu que lorsqu'un produit sanguin artificiel sera disponible, il aura des ventes annuelles de plus de 7,6 milliards de dollars aux États-Unis seulement.

Contexte

Le sang est un type spécial de tissu conjonctif composé de globules blancs, de globules rouges, de plaquettes et de plasma. Il a une variété de fonctions dans le corps. Le plasma est le matériel extracellulaire composé d'eau, de sels et de diverses protéines qui, avec les plaquettes, favorise la coagulation du sang. Les protéines du plasma réagissent avec l'air et durcissent pour empêcher un saignement supplémentaire. Les globules blancs sont responsables de la défense immunitaire. Ils recherchent des organismes ou des matériaux envahissants et minimisent leur effet sur le corps.

Les globules rouges dans le sang créent la couleur rouge vif. Aussi peu que deux gouttes de sang contiennent environ un milliard de globules rouges. Ces cellules sont responsables du transport de l'oxygène et du dioxyde de carbone dans tout le corps. Ils sont également responsables des phénomènes de "typage". Sur les membranes de ces cellules se trouvent des protéines que le corps reconnaît comme siennes. Pour cette raison, une personne ne peut utiliser que du sang compatible avec son type. Actuellement, les produits sanguins artificiels ne sont conçus que pour remplacer la fonction des globules rouges. Il serait peut-être même préférable d'appeler les produits en cours de développement des transporteurs d'oxygène plutôt que du sang artificiel.

Historique

Il y a eu un besoin de remplacements sanguins aussi longtemps que les patients saignaient à mort à cause d'une blessure grave. Selon le folklore médical, les anciens Incas étaient responsables des premières transfusions sanguines enregistrées. Aucun progrès réel n'a été réalisé dans le développement d'un substitut sanguin jusqu'en 1616, lorsque William Harvey a décrit comment le sang circule dans tout le corps. Dans les années qui ont suivi, les médecins ont essayé de nombreuses substances telles que la bière, l'urine, le lait, les résines végétales et le sang de mouton comme substitut du sang. Ils avaient espéré que changer le sang d'une personne pourrait avoir différents effets bénéfiques tels que guérir des maladies ou même changer une personnalité. Les premières transfusions sanguines humaines réussies ont été effectuées en 1667. Malheureusement, la pratique a été interrompue parce que les patients qui ont reçu des transfusions ultérieures sont décédés.

Parmi les différents matériaux qui ont été essayés comme substituts sanguins au fil des ans, seuls quelques-uns ont rencontré un succès minimal. Le lait était l'un des premiers de ces matériaux. En 1854, des patients ont reçu une injection de lait pour traiter le choléra asiatique. Les médecins croyaient que le lait aidait à régénérer les globules blancs. En fait, un nombre suffisant de patients ayant reçu du lait comme substitut sanguin semblaient s'améliorer pour qu'il soit conclu qu'il s'agissait d'une procédure de remplacement sanguin sûre et légitime. Cependant, de nombreux pratiquants sont restés sceptiques et les injections de lait n'ont jamais trouvé d'attrait généralisé. Il a rapidement été jeté et oublié en remplacement du sang.

Un autre substitut potentiel était le sel ou les solutions salines. Lors d'expériences menées sur des grenouilles, les scientifiques ont découvert qu'ils pouvaient garder les grenouilles en vie pendant un certain temps s'ils retiraient tout leur sang et le remplaçaient par une solution saline. Ces résultats étaient cependant un peu trompeurs, car il a été déterminé plus tard que les grenouilles pouvaient survivre pendant une courte période sans aucune circulation sanguine. Après de nombreuses recherches, une solution saline a été développée comme expanseur de volume plasmatique.

D'autres matériaux qui ont été essayés au cours des années 1800 comprennent l'hémoglobine et le plasma animal. En 1868, des chercheurs ont découvert que des solutions contenant de l'hémoglobine isolée des globules rouges pouvaient être utilisées comme substituts sanguins. En 1871, ils ont également examiné l'utilisation du plasma et du sang d'animaux comme substitut du sang humain. Ces deux approches ont été entravées par d'importants problèmes technologiques. Premièrement, les scientifiques ont eu du mal à isoler un grand volume d'hémoglobine. Deuxièmement, les produits d'origine animale contenaient de nombreuses matières toxiques pour l'homme. L'élimination de ces toxines était un défi au cours du XIXe siècle.

Une percée importante dans le développement du sang artificiel a eu lieu en 1883 avec la création de la solution de Ringer, une solution composée de sels de sodium, de potassium et de calcium. Lors de recherches utilisant une partie du cœur d'une grenouille, les scientifiques ont découvert que le cœur pouvait continuer à battre en appliquant la solution. Cela a finalement conduit à la découverte que la réduction de la pression artérielle causée par une perte de volume sanguin pouvait être restaurée en utilisant la solution de Ringer. Ce produit a évolué en un produit humain lorsque du lactate a été ajouté. Bien qu'elle soit encore utilisée aujourd'hui comme extenseur de volume sanguin, la solution de Ringer ne remplace pas l'action des globules rouges et n'est donc pas un véritable substitut sanguin.

Karl Landsteiner

Karl Landsteiner, qui a été appelé le père de l'immunologie, était le seul enfant de Leopold Landsteiner, un éminent journaliste et rédacteur en chef autrichien, et de Fanny Hess Landsteiner. Landsteiner a fait ses études à l'Université de Vienne, où il a obtenu son diplôme de médecine en 1891. Pendant ses études de médecine, Landsteiner a commencé des travaux expérimentaux en chimie, car il a été grandement inspiré par Ernst Ludwig, l'un de ses professeurs. Après avoir obtenu son diplôme de médecine, Landsteiner a passé les cinq années suivantes à faire des recherches avancées en chimie organique pour Emil Fischer, bien que la médecine soit restée son principal intérêt. Au cours de 1886-1897, il a combiné ces intérêts à l'Institut d'hygiène de l'Université de Vienne où il a fait des recherches sur l'immunologie et la sérologie. L'immunologie et la sérologie sont alors devenues l'objectif de toute une vie de Landsteiner. Landsteiner s'intéressait principalement au manque de sécurité et d'efficacité des transfusions sanguines. Avant son travail, les transfusions sanguines étaient dangereuses et sous-utilisées parce que le sang du donneur coagulait fréquemment chez le patient. Landsteiner était intrigué par le fait que lorsque le sang de différents sujets était mélangé, le sang ne coagulait pas toujours. Il croyait qu'il y avait des similitudes et des dissemblances biochimiques intrinsèques dans le sang.

À l'aide d'échantillons de sang de ses collègues, il a séparé les cellules du sang de son sérum et a mis les globules rouges en suspension dans une solution saline. Il a ensuite mélangé le sérum de chaque individu avec un échantillon de chaque suspension cellulaire. La coagulation s'est produite dans certains soins; dans d'autres, il n'y avait pas de coagulation. Landsteiner a déterminé que les êtres humains pouvaient être séparés en groupes sanguins en fonction de la capacité de leurs globules rouges à coaguler en présence de différents sérums. Il a nommé ses groupes sanguins A, B et O. Un quatrième groupe AB a été découvert l'année suivante. Le résultat de ce travail était que le patient et le donneur pouvaient être préalablement groupés, faisant de la transfusion sanguine une pratique médicale sûre et routinière. Cette découverte a finalement valu à Landsteiner le prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1930.

La recherche sur la transfusion sanguine n'a pas progressé jusqu'à ce que les scientifiques aient développé une meilleure compréhension du rôle du sang et des problèmes entourant sa fonction dans le corps. Pendant la Première Guerre mondiale, une solution de gomme saline contenant de l'acide galactoso-gluconique a été utilisée pour étendre le plasma. Si la concentration, le pH et la température étaient ajustés, ce matériau pourrait être conçu pour correspondre à la viscosité du sang total, permettant aux médecins d'utiliser moins de plasma. Dans les années 1920, des études suggéraient que cette solution de gomme avait des effets négatifs sur la santé. Dans les années 1930, l'utilisation de ce matériau avait considérablement diminué. La Seconde Guerre mondiale a ravivé l'intérêt pour la recherche sur le sang et les substituts sanguins. Le plasma donné par l'homme était couramment utilisé pour remplacer le sang et pour sauver les soldats d'un choc hémorragique. Finalement, cela a conduit à la création de banques de sang par la Croix-Rouge américaine en 1947.

En 1966, des expériences sur des souris ont suggéré un nouveau type de substitut sanguin, les perfluorochimiques (PFC). Ce sont des polymères à longue chaîne similaires au téflon. Il a été découvert que les souris pouvaient survivre même après avoir été immergées dans du PFC. Cela a donné aux scientifiques l'idée d'utiliser le PFC comme anticoagulant. En 1968, l'idée a été testée sur des rats. Le sang du rat a été complètement retiré et remplacé par une émulsion de PFC. Les animaux ont vécu quelques heures et ont complètement récupéré après que leur sang a été remplacé.

Cependant, le système de banque de sang établi fonctionnait si bien que la recherche sur les substituts sanguins diminuait. Il a suscité un regain d'intérêt lorsque les lacunes du système des banques de sang ont été découvertes pendant le conflit du Vietnam. Cela a incité certains chercheurs à commencer à rechercher des solutions d'hémoglobine et d'autres transporteurs d'oxygène synthétiques. La recherche dans ce domaine s'est encore renforcée en 1986 lorsqu'on a découvert que le VIH et l'hépatite pouvaient être transmis par transfusion sanguine.

Conception

Le produit sanguin artificiel idéal a les caractéristiques suivantes. Premièrement, il doit être sûr à utiliser et compatible avec le corps humain. Cela signifie que les différents groupes sanguins ne devraient pas avoir d'importance lorsqu'un sang artificiel est utilisé. Cela signifie également que le sang artificiel peut être traité pour éliminer tous les agents pathogènes tels que les virus et les micro-organismes. Deuxièmement, il doit être capable de transporter l'oxygène dans tout le corps et de le libérer là où il est nécessaire. Troisièmement, il doit être stable au stockage. Contrairement au sang donné, le sang artificiel peut être conservé pendant plus d'un an ou plus. Cela contraste avec le sang naturel qui ne peut être conservé qu'un mois avant de se décomposer. Il existe deux produits très différents qui sont en cours de développement en tant que substituts sanguins. Ils diffèrent principalement par la manière dont ils transportent l'oxygène. L'un est basé sur le PFC, tandis que l'autre est un produit à base d'hémoglobine.

Perfluorocarbures (PFC)

Comme suggéré, les PFC sont des matériaux biologiquement inertes qui peuvent dissoudre environ 50 fois plus d'oxygène que le plasma sanguin. Ils sont relativement peu coûteux à produire et peuvent être dépourvus de tout matériel biologique. Cela élimine la possibilité réelle de propager une maladie infectieuse via une transfusion sanguine. D'un point de vue technologique, ils ont deux obstacles importants à surmonter avant de pouvoir être utilisés comme sang artificiel. Premièrement, ils ne sont pas solubles dans l'eau, ce qui signifie que pour les faire fonctionner, ils doivent être combinés avec des émulsifiants, des composés gras appelés lipides qui sont capables de suspendre de minuscules particules de produits chimiques perfluorés dans le sang. Deuxièmement, ils ont la capacité de transporter beaucoup moins d'oxygène que les produits à base d'hémoglobine. Cela signifie qu'il faut utiliser beaucoup plus de PFC. Un produit de ce type a été approuvé pour utilisation par la Federal Drug Administration (FDA), mais il n'a pas connu de succès commercial car la quantité nécessaire pour fournir un avantage est trop élevée. Des émulsions PFC améliorées sont en cours de développement mais n'ont pas encore atteint le marché.

Produits à base d'hémoglobine

L'hémoglobine transporte l'oxygène des poumons vers les autres tissus du corps. Le sang artificiel à base d'hémoglobine profite de cette fonction naturelle. Contrairement aux produits PFC où la dissolution est le mécanisme clé, l'oxygène se lie de manière covalente à l'hémoglobine. Ces produits d'hémoglobine sont différents du sang total en ce sens qu'ils ne sont pas contenus dans une membrane, ce qui élimine le problème du groupe sanguin. Cependant, l'hémoglobine brute ne peut pas être utilisée car elle se décomposerait en composés toxiques plus petits dans le corps. Il existe également des problèmes de stabilité de l'hémoglobine dans une solution. Le défi de la création d'un sang artificiel à base d'hémoglobine est de modifier la molécule d'hémoglobine afin que ces problèmes soient résolus. Diverses stratégies sont employées pour stabiliser l'hémoglobine. Cela implique soit chimiquement Le sang artificiel peut être produit de différentes manières en utilisant la production synthétique, l'isolement chimique ou la technologie biochimique recombinante. Les produits à base d'hémoglobine synthétique sont fabriqués à partir d'hémoglobine récoltée à partir d'un E. coli souche bactérienne. L'hémoglobine est cultivée dans une cuve à graines puis fermentée. réticuler des molécules ou utiliser la technologie de l'ADN recombinant pour produire des protéines modifiées. Ces hémoglobines modifiées sont stables et solubles dans les solutions. Théoriquement, ces modifications devraient aboutir à des produits qui ont une plus grande capacité à transporter l'oxygène que nos propres globules rouges. Il est prévu que le premier de ces produits sera disponible d'ici un à deux ans.

Matières premières

Selon le type de sang artificiel fabriqué, diverses matières premières sont utilisées. Les produits à base d'hémoglobine peuvent utiliser soit de l'hémoglobine isolée, soit de l'hémoglobine produite synthétiquement.

Pour produire de l'hémoglobine synthétiquement, les fabricants utilisent des composés appelés acides aminés. Ce sont des produits chimiques que les plantes et les animaux utilisent pour créer les protéines essentielles à la vie. Il existe 20 acides aminés naturels qui peuvent être utilisés pour produire de l'hémoglobine. Toutes les molécules d'acides aminés partagent certaines caractéristiques chimiques. Ils sont constitués d'un groupe amino, d'un groupe carboxyle et d'une chaîne latérale. La nature de la chaîne latérale différencie les divers acides aminés. La synthèse de l'hémoglobine nécessite également un type spécifique de bactéries et tous les matériaux nécessaires à son incubation. Cela comprend l'eau chaude, la mélasse, le glucose, l'acide acétique, les alcools, l'urée et l'ammoniac liquide.

Pour d'autres types de produits sanguins artificiels à base d'hémoglobine, l'hémoglobine est isolée du sang humain. Il est généralement obtenu à partir de sang donné qui a expiré avant d'être utilisé. D'autres sources d'hémoglobine proviennent du sang animal épuisé. Cette hémoglobine est légèrement différente de l'hémoglobine humaine et doit être modifiée avant d'être utilisée.

Le processus de fabrication

La production de sang artificiel peut se faire de diverses manières. Pour les produits à base d'hémoglobine, cela implique l'isolement ou la synthèse de l'hémoglobine, la modification moléculaire puis la reconstitution dans une formule sanguine artificielle. Les produits PFC impliquent une réaction de polymérisation. Un procédé de production d'un produit synthétique à base d'hémoglobine est décrit ci-dessous.

Synthèse d'hémoglobine

• 1 Pour obtenir de l'hémoglobine, une souche de E. coli des bactéries capables de produire de l'hémoglobine humaine sont utilisées. Pendant environ trois jours, la protéine est récoltée et les bactéries sont détruites. Pour démarrer le processus de fermentation, un échantillon de la culture bactérienne pure est transféré dans un tube à essai qui contient tous les nutriments nécessaires à la croissance. Cette inoculation initiale provoque la multiplication des bactéries. Lorsque la population est suffisamment importante, ils sont transférés dans un réservoir à graines.
• 2 Un réservoir à graines est une grande bouilloire en acier inoxydable qui offre un environnement idéal pour la croissance des bactéries. Il est rempli d'eau chaude, de nourriture et d'une source d'ammoniac qui sont tous nécessaires à la production d'hémoglobine. D'autres facteurs de croissance tels que des vitamines, des acides aminés et des nutriments mineurs sont également ajoutés. La solution bactérienne à l'intérieur du réservoir à graines est constamment baignée d'air comprimé et mélangée pour la maintenir en mouvement. Lorsque suffisamment de temps s'est écoulé, le contenu du réservoir de semences est pompé vers le réservoir de fermentation.
• 3 La cuve de fermentation est une version plus grande de la cuve à graines. Il est également rempli d'un milieu de croissance nécessaire à la croissance des bactéries et à la production d'hémoglobine. Étant donné que le contrôle du pH est vital pour une croissance optimale, de l'eau ammoniacale est ajoutée au réservoir si nécessaire. Lorsqu'une quantité suffisante d'hémoglobine a été produite, le réservoir est vidé afin que l'isolement puisse commencer.
• 4 L'isolement commence par un séparateur centrifuge qui isole une grande partie de l'hémoglobine. Il peut être davantage séparé et purifié par distillation fractionnée. Cette norme Une fois fermentée, l'hémoglobine est purifiée puis mélangée avec de l'eau et d'autres électrolytes pour créer du sang artificiel utilisable. La méthode de séparation des colonnes est basée sur le principe de faire bouillir un liquide pour séparer un ou plusieurs composants et utilise des structures verticales appelées colonnes de fractionnement. A partir de cette colonne, l'hémoglobine est transférée dans un réservoir de traitement final.

Traitement final

• 5 Ici, il est mélangé avec de l'eau et d'autres électrolytes pour produire le sang artificiel. Le sang artificiel peut ensuite être pasteurisé et mis dans un emballage approprié. La qualité des composés est contrôlée régulièrement tout au long du processus. Les contrôles fréquents effectués sur la culture bactérienne sont particulièrement importants. En outre, diverses propriétés physiques et chimiques du produit fini sont vérifiées, telles que le pH, le point de fusion, la teneur en humidité, etc. Cette méthode de production s'est avérée capable de produire des lots pouvant atteindre 2 640 gal (10 000 L).

Le futur

Actuellement, plusieurs entreprises travaillent à la production d'un substitut sanguin artificiel sûr et efficace. Les différents substituts sanguins souffrent tous de certaines limitations. Par exemple, la plupart des produits à base d'hémoglobine ne durent pas plus de 20 à 30 heures dans le corps. Cela se compare aux transfusions de sang total qui durent 34 jours. De plus, ces substituts sanguins n'imitent pas la capacité du sang à combattre les maladies et la coagulation. Par conséquent, la technologie actuelle du sang artificiel sera limitée aux applications de remplacement du sang à court terme. À l'avenir, il est prévu que de nouveaux matériaux pour transporter l'oxygène dans le corps seront trouvés. De plus, des produits plus durables devraient être développés, ainsi que des produits qui remplissent les autres fonctions du sang.