با افزایش چشمگیر تعداد اعمال جراحی و موارد تروما، تقاضا برای خون انسان برای انتقال خون افزایش چشمگیری داشته است. تعداد واحدهای جمع آوری شده از اهداکنندگان خون برای مقابله با نیازهای روزافزون خون انسان که نیازهای پزشکی و جراحی مدرن امروزی را می طلبد، کافی نیست. علاوه بر این، خون اهدایی انسان مملو از نگرانی‌های مربوط به عمر کوتاه ذخیره‌سازی، احتمال انتقال عفونت‌های منتقله از خون، واکنش‌های آلرژیک و افزایش هزینه‌های جمع‌آوری، پردازش و تطبیق است. برای کاهش این اختلاف روزافزون بین تقاضا و عرضه خون و مشکلات مربوط به خون ذخیره شده انسان، خون مصنوعی به عنوان یک گزینه امیدوارکننده ظاهر شده است.
مهمترین وظیفه خون مصنوعی انتقال اکسیژن و کربن‌کربن‌دی اکسید است؛ اما فاقد بعضی از ویژگی‌های ضروری خون انسان، همانند فرآیندهای هموستاز، گروه‌های خونی و وظایف ایمونولوژیک است.
توسعه جایگزین های خون
تحقیق و توسعه در این زمینه در اواسط دهه 1980 به دنبال نگرانی های ناشی از احتمال وجود خون آلوده به اچ آی وی افزایش پیدا کرد. در ادامه ارتباط سایر بیماری های عفونی مانند هپاتیت B، هپاتیت C، آنسفالیت ویروس نیل غربی، ویروس کرونا، ویروس لوسمی سلول T انسانی و عفونت های باکتریایی با انتقال خون به طور فزاینده ای شناخته شد. همچنین انتقال خون منجر به عوارض غیر عفونی خاصی مانند واکنش همولیتیک انتقال خون، آسیب حاد ریه مربوط به انتقال خون(TRALI)، رد پیوند در مقابل میزبان(GVHD)، آنافیلاکسی و پورپورای پس از انتقال خون شد. اثرات افزایش یابنده این عوامل در چند دهه گذشته باعث رشد و توسعه خون مصنوعی شده است.
هدف اصلی این مواد پشتیبانی موقت از سیستم گردش خون تا زمانی است که مغز استخوان بدن گلبول های قرمز کافی را بازسازی کند. آنها بر روی یکی از عملکردهای مهم خون که انتقال اکسیژن به سلول ها و بافت ها است تمرکز می کنند. از اندیکاسیون‌های اصلی تجویز خون مصنوعی می‌توان به تروما، جراحی‌های انتخابی(الکتیو)، جراحی قلب و عروق، برقراری پرفیوژن بافت‌های دچار ایسکمی، اکسیژن رسانی به تومور‌های جامد(برای افزایش حساسیت به رادیوتراپی و شیمی درمانی)، حفظ اندام(در حین انتقال برای پیوند)، حامل دارو، ماده حاجب و متفرقه (عفونت‌های بی‌هوازی، آمبولی هوا، مسمومیت با کربن مونواکسید) اشاره کرد.
راهبرد‌های کنونی برای تولید خون مصنوعی شامل تولید مصنوعی، جداسازی شیمیایی و فناوری‌های بیوشیمیایی نوترکیب است. این جایگزین‌ها به دو دسته حامل‌های اکسیژن مبتنی بر هموگلوبین (HBOC’s) و یا کربن‌های پرفلوئورو(PFC’s) تقسیم می‌شوند.
حامل‌های اکسیژن مبتنی بر هموگلوبین (Haemoglobin Based Oxygen Carriers:
HBOC ها از هموگلوبین که جدا شده یا به صورت مصنوعی ساخته می شود، مشتق می شوند.
اکسیژن همانند هموگلوبین طبیعی به این ترکیبات به صورت کووالانسی متصل می شود. از جمله اهداف طراحی این مواد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
- کاهش ذاتی میل اکسیژن برای افزایش تخلیه در بافت
- احتباس طولانی مدت داخل عروقی
- کاهش فعالیت اسمزی کلوئیدی
- عدم وجود سمیت کلیوی
منبع هموگلوبین یا انسان است (خون ذخیره شده قدیمی) یا خون گاو یا مهندسی ژنتیکی به دست آمده است. گروه خونی، پروتئین ها و ویروس ها با حرارت دادن و فیلتراسیون از طریق فرآیند تصفیه هموگلوبین از گلبول های قرمز حذف می شوند. هموگلوبین جدا شده در یک فرمول خون مصنوعی در معرض اصلاح و بازسازی مولکولی قرار می گیرد. فرآیندهای تولید HBOC شامل استخراج هموگلوبین و سپس تثبیت با اتصال عرضی به عنوان تترامر یا پلیمریزاسیون، یا کونژوگاسیون با پلی اتیلن گلیکول و یا کپسوله کردن در وزیکول های فسفولیپید قبل از اختلاط در محلول الکترولیت می باشد. تثبیت HBOC با استفاده از پیوند متقابل یا پلیمریزاسیون با مولکول های بزرگتر مانند پلی اتیلن گلیکول، دکستران یا پلی اکسی اتیلن نیز به افزایش قابل توجهی در زمان “سکون” داخل عروقی (24-48 ساعت) کمک می کند.
مولکول های جدیدتری در حال توسعه هستند که دارای آنتی اکسیدان هایی مانند سوپراکسید دیسموتاز یا کاتالاز هستند که با ساختار هموگلوبین پیوند دارند. ترکیب آنتی اکسیدان ها به کاهش شدت آسیب خونرسانی مجدد ایسکمیک در شرایطی مانند سکته مغزی، انفارکتوس میوکارد یا پیوند عضو کمک می کند. بر اساس تکنیک‌های بهبود پایداری، گروه‌های زیر از محلول‌های هموگلوبین در دسترس هستند:
- هموگلوبین اصلاح شده سطحی (PEG Hb, PHP, Haemospan): آنها از طریق اتصال مولکول های بزرگ مانند پلی اتیلن گلیکول به گروه های لیزین سطحی تولید می شوند. این اصلاح، ویسکوزیته و فشار انکوتیک محلول را افزایش می دهد. این محلول ها تمایل به ایجاد انقباض عروق متوسط را دارند. اندازه کوچک مولکول های هموگلوبین به آنها اجازه می دهد تا از عروق کوچک و مناطق اکسیژن رسان عبور کنند که توسط RBC ها قابل دسترسی نیستند. بنابراین، آنها در درمان بیماران مبتلا به سکته مغزی مفید هستند. همچنین می‌توان از این مواد برای افزایش حساسیت سلول های تومور به پرتودرمانی یا شیمی درمانی و اثرات وازوپرسور برای درمان افت فشار خون بدنبال شوک سپتیک، استفاده کرد. آنها همچنین میزان تولید آنتی بادی کمتری دارند.
- هموگلوبین متقاطع درون مولکولی(Hemassist, r-Hb1-1,r-Hb 2-0) : تثبیت تترامری و جلوگیری از فیلتراسیون کلیوی با پیوند متقابل بین مولکولی بین دو زیرواحد α و دو β با استفاده از یک اتصال دهنده متقابل محل خاص انجام می شود. دو زنجیره α یا دو زنجیره β را به هم پیوند می دهد. پیوند متقاطع همچنین تمایل هموگلوبین به اکسیژن را کاهش می دهد.
- هموگلوبین پلیمریزه شده(Polyheme, Hemopure, Hemolink): در اینجا گروه های اسید آمینه سطحی توسط معرف هایی مانند گلوتارآلدئید به هم متصل می شوند. تجویز هموگلوبین پلیمریزه در بیماران تحت بازسازی آئورت تحت کلیوی، در 27 درصد از بیماران اجتناب از انتقال خون آلوژنیک را نشان داده است.
- هموگلوبین کپسوله شده با لیپوزوم (or haemosomes): هموگلوبین خالص شده مجدداً در یک غشای لیپیدی پایدار محصور می شود. لیپوزوم ها از دولایه فسفولیپیدی با مولکول های کلسترول برای افزایش سفتی و پایداری مکانیکی ساخته شده اند و محلول هموگلوبین بدون استروما و 2،3 دی فسفوگلیسرات یا هگزافسفات اینوزیتول را به عنوان مایع ژلاتینی در خود جای می دهند. برای تثبیت بیشتر، از پرتوهای فرابنفش یا مهارکننده های ردوکس استفاده می شود که باعث پلیمریزاسیون فسفولیپیدهای غیر اشباع می شود. تثبیت را می توان با پوشاندن لیپوزوم ها با پلیمرها نیز به دست آورد.
هموگلوبین کپسوله شده امکان دستکاری خواص فیزیکوشیمیایی و طول عمر گردش خون را فراهم می کند. P50 هموگلوبین اصلاح شده را می توان به طور مناسب از طریق تغییرات لیپوزوم ها تغییر داد که امکان تخلیه راحت تر اکسیژن را فراهم می کند. میل اکسیژن را می توان با کپسوله کردن یک عامل آلوستریک مانند پیریدوکسال 5 فسفات تنظیم کرد. آنها اغلب دارای لیپید با بار منفی در کپسول های خود هستند که تجمع آنها را محدود می کند. کپسولاسیون همچنین از دناتوره شدن هموگلوبین جلوگیری می کند و توزیع زیستی را افزایش می دهد. اصلاح بیشتر با پلی اتیلن گلیکول، نیمه عمر آنها را افزایش می دهد، آنها را محلول در آب می کند، آنتی ژنیسیته را کاهش می دهد و هدف گیری اختصاصی سایت را افزایش می دهد ،از آنجایی که این وزیکول ها از هموگلوبین یا لیپیدهای خالص شده تشکیل شده اند، با سیستم ایمنی سازگار هستند، نانوکپسول های هموگلوبین ساخته شده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر مانند پلی لاکتید ساخته شده اند. پلی‌لاکتید در بدن به آب و دی اکسید کربن تبدیل می شود و از این رو در سیستم رتیکولواندوتلیال تجمع نمی یابد.
محدودیت های HBOC
گلبول‌های قرمز فشار اسمزی‌ای ایجاد نمی‌کنند اما هموگلوبین(مانند سایر پروتئین‌های پلاسما) باعث ایجاد فشار اسمزی کلوئيدی می‌شود. در نتیجه یک هموگلوبین سلولی می تواند حجم داخل عروقی را تغییر دهد و به عنوان یک حجم دهنده پلاسما عمل کند. نیمه عمر گردش خون HBOC کوتاهتر از RBCهای معمولی است. اکثر HBOC حدود 20-30 ساعت در گردش باقی می مانند در حالی که انتقال خون کامل 34 روز در خون باقی می‌ماند. آنها رادیکال های آزاد را در داخل بدن از هموگلوبین آزاد و محصولات تجزیه شده مانند هم و آهن را نیز ترشح می کنند.
اولین منبع انتخابی، هموگلوبین خون خون انسان است که دارای مقدار محدودی است. بنابراین از خون گاو برای تهیه هموگلوبین استفاده می‌شود. اما هموگلوبین گاوی دارای پتانسیل نگهداری پاتوژن پریونی است که مسئول بیماری Creutzfeldt–Jakob است. برای غلبه بر این مشکل و همچنین برای اطمینان از عرضه ثابت هموگلوبین در آینده، مهندسی ژنتیکی باکتری ها برای تولید منبع نوترکیب هموگلوبین انسانی انجام شد.
هموگلوبین نوترکیب (Optro): فناوری‌های DNA نوترکیب را می‌توان برای تولید هموگلوبین اصلاح‌شده در ارگانیسم‌هایی مانند E.coli و مخمر استفاده کرد. در اینجا، بخش‌های خاصی از توالی اسید آمینه هموگلوبین انسانی جایگزین شده تا از تجزیه به دایمرها جلوگیری شود و میل اکسیژن حفظ شود. بیان این ژن ها منجر به تولید پروتئین های هموگلوبین می شود. این رویکرد نگرانی های مربوط به انتقال بیماری از طریق هموگلوبین به دست آمده از منابع انسانی یا گاوی را از بین می برد. با این حال، اصلی ترین مانع این روش هزینه های بالای این تکنیک است.
کربن‌های پرفلوئورو (Perfluoro Carbons)
PFC ها مولکول های شیمیایی خنثی با شباهت ساختاری به هیدروکربن ها هستند که در آن گروه های هیدروژن با فلوئور جایگزین می‌شوند. اندازه آنها در حدود 100 برابر کوچکتر از RBC بوده و توانایی حمل اکسیژن و دی اکسید کربن بدون اتصال به این گازها را دارند. درگذشته برای تأمین اکسیژن برای نوزادان نارس مبتلا به سندرم زجر تنفسی استفاده می شد. اشباع PFC بطور غیرفعال رخ می دهد زیرا مولکول های اکسیژن در حفره های مولکولی درون قطرات مایع حل می شوند. اکسیژن رسانی PFC مربوط به فشار جزئی اکسیژن است که در تماس با PFC است. بنابراین، اگر بیمار در زمان انفوزیون 100 درصد اکسیژن تنفس کند(PaO2 ˃ 350 mm Hg) بهترین نتایج حاصل می شود. سیستم رتیکولواندوتلیال مسئول حذف سیستمیک PFCها است و آنها از طریق ریه ها بازدم می شوند و در نتیجه نیمه عمر گردش خون وابسته به دوز کوتاه می شود. پس از انفوزیون، مولکول ها تبخیر می شوند و سپس در طول روز بازدم می شوند.
PFC نسل اول: نمونه اولیه این کلاس بود و شامل پرفلورودکالین و پرفلوروتری پروپیلامین بود. پرفلورودکالین اکسیژن را منتقل کرد و پرفلوئوروتری پروپیلامین پایداری را برای ترکیب فراهم کرد. Fluosol توسط FDA به عنوان جایگزین خون برای جراحی قلب تایید شده است. PFC کاملاً اکسیژن دار در طی آنژیوپلاستی عروق کرونر تزریق می شود تا اکسیژن رسانی را در طول جراحی فراهم کند. این دسته از PFC ها می‌توانستند باعث تجمع در سیستم رتیکولواندوتلیال شوند.
نسل دوم PFC: پرفلورودکالین، پرفلوئورواکتیل بروماید و بیس (perfluorobutyl) اتیلن از این دسته هستند. ظرفیت حمل اکسیژن آنها به طور قابل توجهی بالاتر از نسل اول PFC است و دفع آنها با احتباس بافتی کمتر سریعتر است.
معایب PFC
نسل اول PFC ها مسئول فعال سازی مکمل بودند [27]. به ویژه آنهایی که بر پایه لسیتین بودند، سمیت سلولی سلولهای فاگوسیتی مانند مونوسیت ها و گرانولوسیت ها را نشان دادند. شناخته شده است که PFC باعث علائمی شبیه آنفولانزا می شود که به دلیل opsonisation (فرآیندی است که توسط آن یک پاتوژن برای فاگوسیتوز مشخص می شود) و فاگوسیتوز امولسیون PFC توسط سیستم ایمنی ارگانیسم گیرنده رخ می دهد. قرار گرفتن در معرض غلظت بالای اکسیژن در طول تزریق PFC می تواند منجر به سمیت اکسیژن شود.
PFC ها همچنین در کاهش موقت تعداد پلاکت ها که 3-4 روز پس از تجویز نقش داشته که پس از 7 تا 10 روز عادی می شود. همچنین محصولات PFC برای بدن انسان قابل استفاده نیستند و نیاز به حذف دارند و این فرآیند حدود 18 تا 24 ماه زمان نیاز دارد. آنها می توانند سیستم رتیکولواندوتلیال را بیش از حد مورد استفاده قرار داده و عملکرد آن را سرکوب کنند. با استفاده از این مواد نرخ بالاتری از عوارض عصبی در موارد جراحی قلب انسان مشاهده شده است.
ویژگی‌های مطلوب خون مصنوعی های نسبته به گلبول‌های قرمز
- توزیع سریعتر و بهتر اکسیژن: این مولکول ها امکان انتقال اکسیژن با ظرفیت کامل را بلافاصله پس از تزریق در برابر خون ذخیره شده فراهم می کند که به دلیل کاهش 2،3 دی فسفوگلیسرات برای رسیدن به ظرفیت کامل حمل اکسیژن به 24 ساعت زمان نیاز دارد. نرخ استخراج و نسبت های بالاتر PFC اجازه می دهد تا به 90٪ ظرفیت حمل اکسیژن در مقایسه با 25-30٪ برای هموگلوبین برسد. تمایل کم به اکسیژن باعث تخلیه سریع اکسیژن به بافت ها می شود. آنها می توانند اکسیژن رسانی کافی را در سطوح هموگلوبین 2 گرم در دسی لیتر بدون عوارض جانبی تضمین کنند.
- ماندگاری طولانی تر: آنها را می توان در دمای اتاق برای دوره های طولانی (1-3 سال) نگهداری کرد و در مقایسه با خون ذخیره شده که می تواند برای حدود 35-42 روز ذخیره شود، آماده استفاده هستند.این محصولات نیازی به نگهداری در یخچال ندارند.
- سازگاری جهانی: از آنجایی که تمام اجزای پروتئین حذف می شوند، سیستم ایمنی انسان آن را به عنوان یک موجود خارجی نمی شناسد.از این رو از لزوم انجام آزمایش سازگاری بر اساس گروه های خونی اجتناب می شود.از احتمال اشتباهات اداری که ممکن است منجر به عدم تطابق انتقال خون شود نیز اجتناب می شود.
- پیشگیری از انتقال عوامل عفونی/آنافیلاکتیک: محصولات استریل می شوند و از این رو احتمال انتقال ویروس یا بیماری کاهش می یابد.
- کاهش آسیب های ایسکمیک، التهابی و خونرسانی مجدد.
پیش بینی می شود که خون مصنوعی تأثیر قابل توجهی در توسعه مراقبت های پزشکی در آینده داشته باشد. این می تواند مکمل فرآورده های خونی فعلی برای انتقال خون باشد و یک منبع پایدار از محصولات ایمن و موثر ایجاد کند. احتمالاً نیازهای انتقال خون را به‌ویژه در شرایط تروما و جراحی کاهش می‌دهد و در نتیجه اتکا به خون اهدایی بانکی را کاهش می‌دهد.
حجم قابل توجهی از کارآزمایی‌های بالینی و مطالعات سیستماتیک در مورد ایمنی و اثربخشی بالینی هنوز مورد نیاز است تا قبل از اینکه جایگزین‌های خون مصنوعی راه خود را در عمل منظم پیدا کنند. اما ابعاد آتی برای تحقیقات بیشتر شامل آزمایش با سلول های بنیادی (تولید گلبول های قرمز در گروه های خاص و نادر با روشی به نام فارمینگ خون)، هموگلوبین تراریخته (از خوک های تراریخته برای کاهش پس زدن پیوند) و کمپلکس های آنزیمی پلی هموگلوبین (کاهش آسیب های خونرسانی مجدد ایسکمیک در سکته مغزی، انفارکتوس میوکارد، شوک هموراژیک و جراحی های پیوند) می‌باشد.
برگرفته شده از مقاله خون مصنوعی: بعد آینده نگر از انتقال خون مدرن علوم
