science >> Wetenschap >  >> anders

Hoe kunstbloed werkt

Rode bloedcellen, ook wel erytrocyten genoemd, hebben de vorm van biconcave schijven. Leer meer over kunstbloed en meer met moderne medicijnfoto's. Foto met dank aan Garrigan.Net

Artsen en wetenschappers hebben veel gadgets bedacht die het over kunnen nemen van delen van het lichaam die kapot gaan of verslijten. Een hart, bijvoorbeeld, is eigenlijk een pomp; een kunsthart is een mechanische pomp die bloed beweegt. evenzo, totale knieprothesen vervangen metaal en plastic voor botten en kraakbeen. Prothetische ledematen zijn steeds complexer geworden, maar het zijn nog steeds in wezen mechanische apparaten die het werk van armen of benen kunnen doen. Al deze zijn vrij eenvoudig te begrijpen - het verwisselen van een orgel voor een door de mens gemaakte vervanging is meestal logisch.

Kunstmatig bloed , anderzijds, kan verbijsterend zijn. Een reden is dat de meeste mensen bloed zien als meer dan alleen bindweefsel dat zuurstof en voedingsstoffen vervoert. In plaats daarvan, bloed staat voor het leven. Veel culturen en religies hechten er een speciale betekenis aan, en het belang ervan heeft zelfs de Engelse taal beïnvloed. Je zou kunnen verwijzen naar je culturele of voorouderlijke eigenschappen als in je bloed. Uw familieleden zijn uw bloedverwanten. Als je verontwaardigd bent, je bloed kookt. Als je bang bent, het loopt koud.

Bloed draagt ​​al deze connotaties met een goede reden -- het is absoluut essentieel voor het voortbestaan ​​van gewervelde levensvormen, inclusief mensen. Het vervoert zuurstof van je longen naar alle cellen in je lichaam. Het neemt ook de koolstofdioxide op die je niet nodig hebt en brengt het terug naar je longen, zodat je het kunt uitademen. Bloed levert voedingsstoffen uit je spijsverteringsstelsel en hormonen uit je endocriene systeem naar de delen van je lichaam die ze nodig hebben. Het gaat door de nieren en de lever, die afvalstoffen en gifstoffen verwijderen of afbreken. Immuuncellen in uw bloed helpen ziekten en infecties te voorkomen en te bestrijden. Bloed kan ook stolsels vormen, voorkomen van dodelijk bloedverlies door kleine snijwonden en schaafwonden.

Volgende, leer over de verschillende bloedbestanddelen en waarom kunstbloed nodig kan zijn.

Inhoud
  1. Wat is bloed?
  2. Kunstmatige bloedcellen
  3. HBOC Bloed
  4. PFC-bloed
  5. Kunstmatige bloedcontroverse

Wat is bloed?

Een scanning-elektronenmicroscoopbeeld van normaal circulerend menselijk bloed. Fotografen Bruce Wetzel/Harry Schaefer, met dank aan National Cancer Institute

Het kan onwaarschijnlijk lijken, of zelfs onmogelijk, dat een kunstmatige substantie iets zou kunnen vervangen dat al dit werk doet en zo centraal staat in het menselijk leven. Om het proces te begrijpen, het helpt om een ​​beetje te weten hoe echt bloed werkt. Bloed heeft twee hoofdcomponenten -- plasma en gevormde elementen . Bijna alles wat bloed draagt, inclusief voedingsstoffen, hormonen en afval, wordt opgelost in het plasma, dat is meestal water. Gevormde elementen , die cellen en delen van cellen zijn, drijven ook in het plasma. Gevormde elementen omvatten: witte bloedcellen (WBC's) , die deel uitmaken van het immuunsysteem, en bloedplaatjes , die helpen bij het vormen van stolsels. Rode bloedcellen (RBC's) zijn verantwoordelijk voor een van de belangrijkste taken van het bloed:zuurstof en koolstofdioxide vervoeren.

RBC's zijn talrijk; ze vormen meer dan 90 procent van de gevormde elementen in het bloed. Vrijwel alles aan hen helpt hen om zuurstof efficiënter te vervoeren. Een RBC heeft de vorm van een schijf die aan beide zijden hol is, dus het heeft veel oppervlakte voor zuurstofopname en -afgifte. Het membraan is zeer flexibel en heeft geen kern, zodat het door kleine haarvaten past zonder te scheuren.

Het gebrek aan kern van een rode bloedcel geeft hem ook meer ruimte voor hemoglobine (Hb) , een complex molecuul dat zuurstof vervoert. Het is gemaakt van een eiwitcomponent genaamd a globine en vier pigmenten genaamd hemes . De hemes gebruiken ijzer om zich aan zuurstof te binden. Binnen elke RBC bevinden zich ongeveer 280 miljoen hemoglobinemoleculen.

Als u veel bloed verliest, je verliest veel van je zuurstoftoevoersysteem. De immuuncellen, voedingsstoffen en eiwitten die door het bloed worden vervoerd, zijn belangrijk, te, maar artsen zijn over het algemeen het meest bezorgd over de vraag of uw cellen voldoende zuurstof krijgen.

In een noodsituatie, artsen zullen patiënten vaak geven volume-uitbreidingen , zoals zoutoplossing, om het verloren bloedvolume in te halen. Dit helpt de normale bloeddruk te herstellen en zorgt ervoor dat de resterende rode bloedcellen zuurstof blijven vervoeren. Soms, dit is voldoende om het lichaam in stand te houden totdat het nieuwe bloedcellen en andere bloedelementen kan produceren. Als niet, artsen kunnen patenten geven bloedtransfusies om een ​​deel van het verloren bloed te vervangen. Bloedtransfusies komen ook vrij vaak voor tijdens sommige chirurgische ingrepen.

Dit proces werkt redelijk goed, maar er zijn verschillende uitdagingen die het moeilijk of onmogelijk kunnen maken om patiënten het bloed te krijgen dat ze nodig hebben:

  • Menselijk bloed moet koel worden gehouden, en het heeft een houdbaarheid van 42 dagen. Dit maakt het onpraktisch voor hulpdiensten om het in ambulances te dragen of voor medisch personeel om het naar het slagveld te dragen. Volume-expanders alleen zijn misschien niet genoeg om een ​​ernstig bloedende patiënt in leven te houden totdat hij het ziekenhuis bereikt.
  • Artsen moeten ervoor zorgen dat het bloed goed is type -- EEN, B, AB of O -- voordat u het aan een patiënt geeft. Als een persoon het verkeerde type bloed krijgt, een dodelijke reactie kan het gevolg zijn.
  • Het aantal mensen dat bloed nodig heeft groeit sneller dan het aantal mensen dat bloed doneert.
  • Virussen zoals HIV en hepatitis kunnen de bloedtoevoer besmetten, hoewel verbeterde testmethoden besmetting in de meeste ontwikkelde landen minder waarschijnlijk hebben gemaakt.

Dit is waar kunstbloed binnenkomt. Kunstbloed doet niet al het werk van echt bloed -- soms, het kan zelfs het verloren bloedvolume niet vervangen. In plaats daarvan, het vervoert zuurstof in situaties waarin de rode bloedcellen van een persoon het niet alleen kunnen. Om deze reden, kunstbloed wordt vaak een zuurstof therapeutisch . In tegenstelling tot echt bloed, kunstbloed kan worden gesteriliseerd om bacteriën en virussen te doden. Artsen kunnen het ook aan patiënten geven, ongeacht de bloedgroep. Veel huidige soorten zijn langer dan een jaar houdbaar en hoeven niet gekoeld bewaard te worden, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in noodsituaties en situaties op het slagveld. Dus ook al vervangt het niet echt menselijk bloed, kunstbloed is nog steeds behoorlijk verbazingwekkend.

We zullen kijken waar kunstbloed vandaan komt en hoe het werkt in de bloedbaan van een persoon.

Bedankt

Dankzij Scott Bernstein voor zijn hulp bij dit artikel.

Kunstmatige bloedcellen

Zowel HBOC's als PFC's zijn aanzienlijk kleiner dan rode bloedcellen.

Tot voor kort, de meeste pogingen om kunstbloed te maken mislukten. In de 19de eeuw, artsen gaven patiënten tevergeefs dierlijk bloed, melk, oliën en andere vloeistoffen intraveneus. Zelfs na de ontdekking van menselijke bloedgroepen in 1901, doktoren bleven op zoek naar bloedvervangers. De Eerste en Tweede Wereldoorlog en de ontdekkingen van hepatitis en het humaan immunodeficiëntievirus (hiv) wekten ook de belangstelling voor de ontwikkeling ervan.

Farmaceutische bedrijven ontwikkelden in de jaren tachtig en negentig enkele soorten kunstbloed, maar velen staakten hun onderzoek na hartaanvallen, beroertes en sterfgevallen bij proeven op mensen. Sommige vroege formules zorgden er ook voor dat haarvaten instortten en de bloeddruk omhoogschoot. Echter, aanvullend onderzoek heeft geleid tot verschillende specifieke bloedvervangers in twee klassen -- op hemoglobine gebaseerde zuurstofdragers (HBOC's) en perfluorkoolwaterstoffen (PFC's) . Sommige van deze vervangingsmiddelen naderen het einde van hun testfase en zijn mogelijk binnenkort beschikbaar voor ziekenhuizen. Andere zijn al in gebruik. Bijvoorbeeld, een HBOC genaamd Hemopure wordt momenteel gebruikt in ziekenhuizen in Zuid-Afrika, waar de verspreiding van HIV de bloedtoevoer heeft bedreigd. Een op PFC gebaseerde zuurstofdrager genaamd Oxygent bevindt zich in de late stadia van menselijke proeven in Europa en Noord-Amerika.

De twee typen hebben dramatisch verschillende chemische structuren, maar ze werken allebei voornamelijk via passieve diffusie . Passieve diffusie maakt gebruik van de neiging van gassen om van gebieden met een hogere concentratie naar gebieden met een lagere concentratie te gaan totdat het een toestand van evenwicht . In het menselijk lichaam, zuurstof gaat van de longen (hoge concentratie) naar het bloed (lage concentratie). Vervolgens, zodra het bloed de haarvaten bereikt, de zuurstof gaat van het bloed (hoge concentratie) naar de weefsels (lage concentratie).

Zie de volgende pagina voor meer informatie over HBOC-bloed.

HBOC Bloed

PolyHeme HBOC van Northfield Labs Foto met dank aan Northfield Laboratories

HBOC lijkt vaag op bloed. Ze zijn erg donkerrood of bordeaux en zijn gemaakt van echt, gesteriliseerde hemoglobine, die uit verschillende bronnen kunnen komen:

  • RBC's van echt, verlopen menselijk bloed
  • RBC's uit koeienbloed
  • Genetisch gemodificeerde bacteriën die hemoglobine kunnen produceren
  • menselijke placenta's

Echter, artsen kunnen hemoglobine niet zomaar in de menselijke bloedbaan injecteren. Als het in bloedcellen zit, hemoglobine doet geweldig werk door zuurstof te vervoeren en af ​​te geven. Maar zonder het celmembraan om het te beschermen, hemoglobine breekt zeer snel af. Desintegrerende hemoglobine kan ernstige nierschade veroorzaken. Om deze reden, de meeste HBOC's gebruiken gemodificeerde vormen van hemoglobine die steviger zijn dan het natuurlijk voorkomende molecuul. Enkele van de meest voorkomende technieken zijn:

  • Verknoping delen van het hemoglobinemolecuul met een zuurstofdragend hemoglobinederivaat genaamd diaspirine
  • polymeriseren hemoglobine door meerdere moleculen aan elkaar te binden
  • vervoegen hemoglobine door het te binden aan een polymeer

Wetenschappers hebben ook onderzoek gedaan naar HBOC's die hemoglobine wikkelen in een synthetisch membraan gemaakt van lipiden, cholesterol of vetzuren. Een HBOC, genaamd MP4, is gemaakt van hemoglobine gecoat in polyethyleenglycol.

HBOC's werken net als gewone RBC's. De moleculen van de HBOC drijven in het bloedplasma, zuurstof uit de longen opzuigen en in de haarvaten afgeven. De moleculen zijn veel kleiner dan RBC's, zodat ze in ruimtes passen die RBC's niet kunnen, zoals in extreem gezwollen weefsel of abnormale bloedvaten rond kankertumoren. De meeste HBOC's blijven ongeveer een dag in het bloed van een persoon - veel minder dan de 100 dagen of zo dat gewone RBC's circuleren.

Echter, HBOC's hebben ook enkele bijwerkingen. De gemodificeerde hemoglobinemoleculen kunnen in zeer kleine ruimtes tussen cellen passen en zich hechten aan stikstofoxide , wat belangrijk is voor het handhaven van de bloeddruk. Dit kan ertoe leiden dat de bloeddruk van een patiënt tot gevaarlijke niveaus stijgt. HBOC's kunnen ook buikpijn en krampen veroorzaken die hoogstwaarschijnlijk te wijten zijn aan het vrijkomen van vrije radicalen , schadelijke moleculen die cellen kunnen beschadigen. Sommige HBOC's kunnen een tijdelijke, roodachtige verkleuring van de ogen of een rode huid.

Volgende, leer over PFC-bloed en hoe het verschilt van HBOC's.

PFC-bloed

Op PFC gebaseerd kunstbloed gemaakt door Oxygent Foto met dank aan John B. Carnett / populaire wetenschap

In tegenstelling tot HBOC's, PFC's zijn meestal wit en volledig synthetisch. Ze lijken veel op koolwaterstoffen -- chemicaliën volledig gemaakt van waterstof en koolstof -- maar ze bevatten fluor in plaats van koolstof.

PFC's zijn chemisch inert, maar ze zijn buitengewoon goed in het transporteren van opgeloste gassen. Ze kunnen tussen de 20 en 30 procent meer gas vervoeren dan water of bloedplasma, en als er meer gas aanwezig is, ze kunnen er meer van dragen. Om deze reden, artsen gebruiken voornamelijk PFC's in combinatie met aanvullende zuurstof. Echter, extra zuurstof kan het vrijkomen van vrije radicalen in het lichaam van een persoon veroorzaken. Onderzoekers onderzoeken of PFC's kunnen werken zonder de extra zuurstof.

PFC's zijn vettig en glad, dus dat moeten ze zijn geëmulgeerd , of gesuspendeerd in een vloeistof, in het bloed te gebruiken. Gebruikelijk, PFK's worden gemengd met andere stoffen die vaak worden gebruikt in intraveneuze geneesmiddelen, zoals lecithine of albumine. Deze emulgatoren worden uiteindelijk afgebroken als ze uit het bloed circuleren. De lever en de nieren halen ze uit het bloed, en de longen ademen de PFC's uit zoals ze koolstofdioxide zouden uitademen. Soms ervaren mensen griepachtige symptomen wanneer hun lichaam de PFC's verteert en uitademt.

PFC's, zoals HBOC's, zijn extreem klein en passen in ruimtes die niet toegankelijk zijn voor RBC's. Om deze reden, sommige ziekenhuizen hebben onderzocht of PFK's kunnen behandelen traumatisch hersenletsel (TBI) door zuurstof af te geven via gezwollen hersenweefsel.

Farmaceutische bedrijven testen PFC's en HBOC's voor gebruik in specifieke medische situaties, maar ze hebben vergelijkbare potentiële toepassingen, inclusief:

  • Herstel van de zuurstoftoevoer na bloedverlies door een trauma, vooral in noodsituaties en situaties op het slagveld
  • Voorkomen van de noodzaak van bloedtransfusies tijdens operaties
  • Behoud van zuurstoftoevoer naar kankerweefsel, wat chemotherapie effectiever kan maken
  • Bloedarmoede behandelen, wat een vermindering van het aantal rode bloedcellen veroorzaakt
  • Toestaan ​​van zuurstoftoevoer naar gezwollen weefsels of delen van het lichaam die zijn aangetast door sikkelcelanemie

Kunstbloed is niet onomstreden. Volgende, we zullen kijken naar enkele van de problemen rond het gebruik en de toekomst ervan in de geneeskunde.

Kunstmatige bloedcontroverse

PolyHeme, van Northfield Laboratoria, is een ander type kunstbloed. Foto met dank aan Northfield Laboratories

Op het eerste gezicht, kunstbloed lijkt een goede zaak. Het heeft een langere houdbaarheid dan menselijk bloed. Aangezien het productieproces sterilisatie kan omvatten, het draagt ​​​​niet het risico op overdracht van ziekten. Artsen kunnen het toedienen aan patiënten van elke bloedgroep. In aanvulling, veel mensen die om religieuze redenen geen bloedtransfusies kunnen accepteren, kunnen kunstbloed accepteren, met name PFC's, die niet uit bloed zijn afgeleid.

Echter, kunstbloed staat centraal in verschillende controverses. Artsen hebben het gebruik van HemAssist afgeschaft, de eerste HBOC getest op mensen in de Verenigde Staten, nadat patiënten die de HBOC ontvingen, vaker stierven dan degenen die gedoneerd bloed ontvingen. Soms, farmaceutische bedrijven hebben moeite gehad om te bewijzen dat hun zuurstofdragers effectief zijn. Dit komt deels doordat kunstbloed anders is dan echt bloed, dus het kan moeilijk zijn om nauwkeurige methoden voor vergelijking te ontwikkelen. In andere gevallen, zoals wanneer kunstbloed wordt gebruikt om zuurstof te leveren door gezwollen hersenweefsel, de resultaten kunnen moeilijk te kwantificeren zijn.

Een andere bron van controverse was het onderzoek naar kunstbloed. Van 2004 tot 2006, Northfield Laboratories begon met het testen van een HBOC genaamd PolyHeme op traumapatiënten. Het onderzoek vond plaats in meer dan 20 ziekenhuizen in de Verenigde Staten. Omdat veel traumapatiënten bewusteloos zijn en geen toestemming kunnen geven voor medische procedures, de Food and Drug Administration (FDA) keurde de test goed als een: onderzoek zonder toestemming . Met andere woorden, artsen konden patiënten PolyHeme geven in plaats van echt bloed zonder eerst te vragen.

Northfield Laboratories hield bijeenkomsten om mensen op te leiden in de gemeenschappen waar het onderzoek plaatsvond. Het bedrijf gaf mensen ook de mogelijkheid om een ​​armband te dragen om hulpverleners te informeren dat ze liever niet wilden deelnemen. Echter, critici beweerden dat Northfield Laboratories niet genoeg had gedaan om het publiek voor te lichten en beschuldigden het bedrijf van het schenden van de medische ethiek.

Bloedvervangers kunnen worden gebruikt als prestatieverhogende middelen, net zoals menselijk bloed dat kan bij gebruik bij bloeddoping. Een artikel uit oktober 2002 in "Wired" meldde dat sommige fietsers Oxyglobin gebruikten, een veterinaire HBOC, om de hoeveelheid zuurstof in hun bloed te verhogen.

Ondanks de controverse, kunstbloed kan de komende jaren wijdverbreid worden gebruikt. De volgende generaties bloedvervangers zullen waarschijnlijk ook geavanceerder worden. In de toekomst, HBOC's en PFC's lijken misschien veel meer op rode bloedcellen, en ze kunnen enkele van de enzymen en antioxidanten bevatten die echt bloed bevat.

Zie de links op de volgende pagina voor meer informatie over bloed, kunstbloed en aanverwante onderwerpen.

Kunstmatige cellen

Zuurstoftherapieën zijn niet de enige kunstmatige cellen die hun weg vinden naar het menselijk lichaam. Ingekapselde eilandjes -- pancreascellen ingekapseld in een synthetisch membraan -- kunnen helpen bij de behandeling van diabetes. Ingekapselde houtskool kan drugs en vergiften uit iemands bloed verwijderen.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Hoe bloed werkt
  • Bloed Quiz
  • 8 meest voorkomende bloedgroepen
  • Hoe je hart werkt
  • Hoe kunstmatige harten werken
  • Hoe uw immuunsysteem werkt
  • Hoe werken menselijke bloedgroepen?

Meer geweldige links

  • McGill University:kunstmatige cellen, Bloedvervangers en nanogeneeskunde
  • Brown University:bloedvervangers
  • Euro bloedvervangers
  • PBS:Rood goud:het epische verhaal van bloed

bronnen

  • Alliantie Farmaceutisch. Zuurstof. http://www.allp.com/Oxygent/OX.HTM
  • BBC. "Patiënten krijgen kunstbloed." 23-10-2003 http://news.bbc.co.uk/2/hi/health/3207291.stm
  • Bloedcomponenten http://anthro.palomar.edu/blood/blood_components.htm
  • Bruine Universiteit. "Bloedvervangers." http://biomed.brown.edu/Courses/BI108/BI108_2000_Groups/Blood_Substitutes/index.html
  • Chang, Thomas Ming Swi. "Bloedvervangers op basis van biotechnologie." Trends in de biotechnologie. 2006. http://www.medicine.mcgill.ca/artcell/2006trendsweb.pdf
  • Chang, Thomas Ming Swi. "Therapeutische toepassingen van polymere kunstmatige cellen." Natuur beoordelingen. Maart 2005. http://www.medicine.mcgill.ca/artcell/2005NatureRev.pdf
  • CNN. "Kunstmatig bloed getest op patiënten zonder toestemming." 20-2-2004. http://www.cnn.com/2004/HEALTH/02/20/blood.substitute.ap/
  • Coghlan, Andy. "Onbewuste beslissing:een dilemma op leven en dood." Nieuwe wetenschapper. 25-10-2006. http://www.newscientist.com/channel/health/mg19225743.700-unconscious-decisions-a-life-and-death-dilemma.html
  • Davis, Lisa. "De chemie van ... Bloed." Ontdekken. Juli 2002. http://www.discover.com/issues/jul-02/departments/featchemistry/
  • Davis, Nicolette. 'Beter dan Bloed?' Populaire wetenschap. 11/2006. http://www.popsci.com/popsci/science/9e367f36fca9e010vgnvcm1000004eecbccdrcrd.html
  • Davis, Robert. "Trauma's creëren onwetende proefpersonen." VS vandaag. 13-6-2006. http://www.usatoday.com/news/health/2006-06-13-traumas-trials_x.htm
  • eslocker, Asa R. en Astrid Hill. "Kunstbloedexperiment:doet jouw stad mee?" 7-7-2006. http://abcnews.go.com/WNT/story?id=2166058&page=1
  • Euro Bloedvervangers http://www.eurobloodsubstitutes.com/
  • Goor, Brig YK et. Al. "Kunstmatig bloed." MJAFI, 2003. http://medind.nic.in/maa/t03/i1/maat03i1p45.pdf
  • McCarthy, Wil. "Vreemd bloed." Bedrade. 8/2002. http://www.wired.com/wired/archive/10.08/blood.html
  • Muramoto, Osamu. "The Watchtower Society herdefinieert richtlijnen voor het gebruik van bloedproducten." http://www.ajwrb.org/6-15-04.shtml
  • Northfield Laboratoria:PolyHeme. http://www.northfieldlabs.com/polyheme.html
  • orvinger, Becky. "Zuid-Afrika keurt eerste bloedvervanger goed." 19-4-2001. http://www.redcross.org/news/bm/intl/010419sub.html
  • Picard, André. "De rode bloedcelman." McGill Nieuws. Winter 1996. http://www.medicine.mcgill.ca/artcell/mcgillnews.pdf
  • Selim, Jocelyne. "De bionische verbinding." Ontdekken. 11/2002. http://www.discover.com/issues/nov-02/features/featbionic/
  • Bruiner, Lindsey. "Ethici vernietigen onderzoek naar nepbloed." VS vandaag. 2/3/2006. http://www.usatoday.com/tech/science/discoveries/2006-03-02-blood-substitute_x.htm
  • Tortora, Gerard J. en Sandra Reynolds Grabowski. Principes van anatomie en fysiologie. John Wiley &zonen. 2000.
  • Universiteit van Californië Jacobs School. "Kunstmatig 'Bloed'" http://www.jacobsschool.ucsd.edu/cover_story/2003/Nov-Dec/NovDecPage3.html
  • Westfalen, Sylvia Pagan. "Nieuw kunstbloed toont belofte." Nieuwe wetenschapper. 13-3-2004. http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn4760
  • wil, Kari. "Hoe maken wetenschappers kunstbloed? Hoe effectief is het in vergelijking met het echte werk?" 21-10-1999. http://www.sciam.com/askexpert_question.cfm?articleID=0007ACC0-ACD3-1C71-9EB7809EC588F2D7