Globuli rossi, chiamati anche eritrociti, hanno la forma di dischi biconcavi. Scopri il sangue artificiale e altro ancora con le immagini della medicina moderna. Foto per gentile concessione di Garrigan.Net Medici e scienziati hanno escogitato molti gadget che possono prendere il posto di parti del corpo che si rompono o si consumano. Un cuore, Per esempio, è fondamentalmente una pompa; un cuore artificiale è una pompa meccanica che muove il sangue. Allo stesso modo, le protesi totali di ginocchio sostituiscono metallo e plastica per ossa e cartilagine. Gli arti protesici sono diventati sempre più complessi, ma sono ancora essenzialmente dispositivi meccanici che possono fare il lavoro di braccia o gambe. Tutti questi sono abbastanza facili da comprendere:di solito ha senso sostituire un organo con un sostituto artificiale.
Artificiale sangue , d'altra parte, può essere da capogiro. Uno dei motivi è che la maggior parte delle persone pensa al sangue come qualcosa di più del semplice tessuto connettivo che trasporta ossigeno e sostanze nutritive. Anziché, il sangue rappresenta la vita. Molte culture e religioni le attribuiscono un significato speciale, e la sua importanza ha colpito anche la lingua inglese. Potresti riferirti ai tuoi tratti culturali o ancestrali come se fossero nel tuo sangue. I tuoi familiari sono i tuoi parenti di sangue. Se sei indignato, il tuo sangue ribolle. Se sei terrorizzato, fa freddo.
Il sangue ha tutte queste connotazioni per una buona ragione:è assolutamente essenziale per la sopravvivenza delle forme di vita dei vertebrati, comprese le persone. Trasporta l'ossigeno dai polmoni a tutte le cellule del corpo. Raccoglie anche l'anidride carbonica di cui non hai bisogno e la restituisce ai polmoni in modo da poterla espirare. Il sangue fornisce nutrienti dal tuo sistema digestivo e ormoni dal tuo sistema endocrino alle parti del tuo corpo che ne hanno bisogno. Passa attraverso i reni e il fegato, che rimuovono o abbattono rifiuti e tossine. Le cellule immunitarie nel sangue aiutano a prevenire e combattere malattie e infezioni. Il sangue può anche formare coaguli, prevenire la perdita di sangue fatale da piccoli tagli e graffi.
Prossimo, conoscere i diversi componenti del sangue e perché potrebbe essere necessario il sangue artificiale.
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Un'immagine al microscopio elettronico a scansione da sangue umano circolante normale. Fotografi Bruce Wetzel/Harry Schaefer, cortesia National Cancer Institute Può sembrare improbabile, o addirittura impossibile, che una sostanza artificiale potrebbe sostituire qualcosa che fa tutto questo lavoro ed è così centrale per la vita umana. Per comprendere il processo, aiuta a sapere un po' come funziona il sangue reale. Il sangue ha due componenti principali: plasma e elementi formati . Quasi tutto ciò che il sangue porta, compresi i nutrienti, ormoni e rifiuti, si scioglie nel plasma, che è principalmente acqua. Elementi formati , che sono cellule e parti di cellule, galleggiano anche nel plasma. Gli elementi formati includono globuli bianchi (globuli bianchi) , che fanno parte del sistema immunitario, e piastrine , che aiutano a formare coaguli. Globuli rossi (RBC) sono responsabili di uno dei compiti più importanti del sangue:trasportare ossigeno e anidride carbonica.
I globuli rossi sono numerosi; costituiscono più del 90% degli elementi formati nel sangue. Praticamente tutto in loro li aiuta a trasportare l'ossigeno in modo più efficiente. Un RBC ha la forma di un disco concavo su entrambi i lati, quindi ha molta superficie per l'assorbimento e il rilascio di ossigeno. La sua membrana è molto flessibile e non ha nucleo, in modo che possa passare attraverso minuscoli capillari senza rompersi.
La mancanza di nucleo di un globulo rosso gli dà anche più spazio per emoglobina (Hb) , una molecola complessa che trasporta ossigeno. È costituito da un componente proteico chiamato a globina e quattro pigmenti chiamati emi . Gli emi usano il ferro per legarsi all'ossigeno. All'interno di ogni RBC ci sono circa 280 milioni di molecole di emoglobina.
Se perdi molto sangue, perdi molto del tuo sistema di erogazione dell'ossigeno. Le cellule immunitarie, i nutrienti e le proteine trasportati dal sangue sono importanti, pure, ma i medici sono generalmente più preoccupati se le tue cellule stanno ricevendo abbastanza ossigeno.
In una situazione di emergenza, i medici spesso danno ai pazienti espansori di volume , come soluzione salina, per recuperare il volume di sangue perso. Questo aiuta a ripristinare la normale pressione sanguigna e consente ai globuli rossi rimanenti di continuare a trasportare ossigeno. Qualche volta, questo è sufficiente per far funzionare il corpo fino a quando non può produrre nuove cellule del sangue e altri elementi del sangue. Altrimenti, i medici possono rilasciare brevetti trasfusioni di sangue per sostituire parte del sangue perso. Anche le trasfusioni di sangue sono abbastanza comuni durante alcune procedure chirurgiche.
Questo processo funziona abbastanza bene, ma ci sono diverse sfide che possono rendere difficile o impossibile fornire ai pazienti il sangue di cui hanno bisogno:
È qui che entra in gioco il sangue artificiale. Il sangue artificiale non fa tutto il lavoro del sangue reale - a volte, non può nemmeno sostituire il volume di sangue perso. Anziché, trasporta ossigeno in situazioni in cui i globuli rossi di una persona non possono farlo da soli. Per questa ragione, il sangue artificiale è spesso chiamato an ossigeno terapeutico . A differenza del vero sangue, il sangue artificiale può essere sterilizzato per uccidere batteri e virus. I medici possono anche somministrarlo ai pazienti indipendentemente dal gruppo sanguigno. Molti tipi attuali hanno una durata di conservazione di oltre un anno e non hanno bisogno di essere refrigerati, rendendoli ideali per l'uso in situazioni di emergenza e di battaglia. Quindi, anche se in realtà non sostituisce il sangue umano, il sangue artificiale è ancora piuttosto sorprendente.
Vedremo da dove viene il sangue artificiale e come funziona nel flusso sanguigno di una persona.
GrazieGrazie a Scott Bernstein per il suo aiuto con questo articolo.
Sia gli HBOC che i PFC sono considerevolmente più piccoli dei globuli rossi. Fino a poco tempo fa, la maggior parte dei tentativi di creare sangue artificiale fallì. Nel 19 ° secolo, i medici hanno somministrato senza successo ai pazienti sangue animale, latte, oli e altri liquidi per via endovenosa. Anche dopo la scoperta dei gruppi sanguigni umani nel 1901, i medici continuavano a cercare sostituti del sangue. Anche la prima e la seconda guerra mondiale e le scoperte sull'epatite e sul virus dell'immunodeficienza umana (HIV) hanno suscitato interesse per il suo sviluppo.
Le aziende farmaceutiche hanno sviluppato alcune varietà di sangue artificiale negli anni '80 e '90, ma molti hanno abbandonato la loro ricerca dopo gli attacchi di cuore, ictus e decessi nelle sperimentazioni umane. Alcune prime formule hanno anche causato il collasso dei capillari e l'aumento della pressione sanguigna. Però, ulteriori ricerche hanno portato a diversi sostituti del sangue specifici in due classi: portatori di ossigeno a base di emoglobina (HBOC) e perfluorocarburi (PFC) . Alcuni di questi sostituti si stanno avvicinando alla fine della loro fase di test e potrebbero essere presto disponibili per gli ospedali. Altri sono già in uso. Per esempio, un HBOC chiamato Hemopure è attualmente utilizzato negli ospedali in Sud Africa, dove la diffusione dell'HIV ha minacciato l'afflusso di sangue. Un vettore di ossigeno a base di PFC chiamato Oxygent è nelle ultime fasi della sperimentazione umana in Europa e Nord America.
I due tipi hanno strutture chimiche notevolmente diverse, ma entrambi funzionano principalmente attraverso diffusione passiva . La diffusione passiva sfrutta la tendenza dei gas a spostarsi da zone a maggiore concentrazione a zone a minore concentrazione fino a raggiungere uno stato di equilibrio . Nel corpo umano, l'ossigeno si sposta dai polmoni (alta concentrazione) al sangue (bassa concentrazione). Quindi, una volta che il sangue raggiunge i capillari, l'ossigeno si sposta dal sangue (alta concentrazione) ai tessuti (bassa concentrazione).
Vedere la pagina successiva per saperne di più sul sangue HBOC.
PolyHeme HBOC di Northfield Labs Foto per gentile concessione di Northfield Laboratories HBOC assomiglia vagamente al sangue. Sono di colore rosso molto scuro o bordeaux e sono realizzati in vero, emoglobina sterilizzata, che può provenire da diverse fonti:
Però, i medici non possono semplicemente iniettare l'emoglobina nel flusso sanguigno umano. Quando è all'interno delle cellule del sangue, l'emoglobina svolge un ottimo lavoro nel trasportare e rilasciare ossigeno. Ma senza la membrana cellulare che lo protegga, l'emoglobina si degrada molto rapidamente. La disintegrazione dell'emoglobina può causare gravi danni ai reni. Per questa ragione, la maggior parte degli HBOC utilizza forme modificate di emoglobina che sono più robuste della molecola presente in natura. Alcune delle tecniche più comuni sono:
Gli scienziati hanno anche studiato che gli HBOC avvolgono l'emoglobina in una membrana sintetica composta da lipidi, colesterolo o acidi grassi. un HBOC, chiamato MP4, è costituito da emoglobina rivestita di glicole polietilenico.
Gli HBOC funzionano in modo molto simile ai normali globuli rossi. Le molecole dell'HBOC galleggiano nel plasma sanguigno, prelevare ossigeno dai polmoni e rilasciarlo nei capillari. Le molecole sono molto più piccole dei globuli rossi, in modo che possano adattarsi a spazi che i globuli rossi non possono, come in tessuti estremamente gonfi o vasi sanguigni anormali intorno a tumori cancerosi. La maggior parte degli HBOC rimane nel sangue di una persona per circa un giorno, molto meno dei 100 giorni circa in cui circolano i normali globuli rossi.
Però, Gli HBOC hanno anche alcuni effetti collaterali. Le molecole di emoglobina modificata possono inserirsi in spazi molto piccoli tra le cellule e legarsi a monossido di azoto , che è importante per mantenere la pressione sanguigna. Ciò può causare l'aumento della pressione sanguigna di un paziente a livelli pericolosi. Gli HBOC possono anche causare disturbi addominali e crampi che sono molto probabilmente dovuti al rilascio di i radicali liberi , molecole dannose che possono danneggiare le cellule. Alcuni HBOC possono causare un temporaneo, colorazione rossastra degli occhi o pelle arrossata.
Prossimo, conoscere il sangue PFC e come è diverso dagli HBOC.
Sangue artificiale a base di PFC prodotto da Oxygent Foto per gentile concessione di John B. Carnett /Scienza popolare A differenza degli HBOC, I PFC sono solitamente bianchi e sono interamente sintetici. Sono molto simili idrocarburi -- sostanze chimiche fatte interamente di idrogeno e carbonio -- ma contengono fluoro invece del carbonio.
I PFC sono chimicamente inerti, ma sono estremamente bravi a trasportare gas disciolti. Possono trasportare tra il 20 e il 30 percento in più di gas rispetto all'acqua o al plasma sanguigno, e se è presente più gas, possono portarne di più. Per questa ragione, i medici utilizzano principalmente i PFC in combinazione con l'ossigeno supplementare. Però, l'ossigeno in più può causare il rilascio di radicali liberi nel corpo di una persona. I ricercatori stanno studiando se i PFC possono funzionare senza l'ossigeno aggiuntivo.
I PFC sono oleosi e scivolosi, quindi devono essere emulsionato , o sospeso in un liquido, da usare nel sangue. Generalmente, I PFC sono mescolati con altre sostanze frequentemente utilizzate nei farmaci per via endovenosa, come la lecitina o l'albumina. Questi emulsionanti alla fine si rompono mentre circolano dal sangue. Il fegato e i reni li rimuovono dal sangue, e i polmoni espirano i PFC come farebbero con l'anidride carbonica. A volte le persone sperimentano sintomi simil-influenzali mentre i loro corpi digeriscono ed espirano i PFC.
PFC, come gli HBOC, sono estremamente piccoli e possono inserirsi in spazi inaccessibili ai globuli rossi. Per questa ragione, alcuni ospedali hanno studiato se i PFC possono trattare trauma cranico (TBI) fornendo ossigeno attraverso il tessuto cerebrale gonfio.
Le aziende farmaceutiche stanno testando PFC e HBOC per l'uso in situazioni mediche specifiche, ma hanno usi potenziali simili, Compreso:
Il sangue artificiale non è privo di controversie. Prossimo, esamineremo alcune delle questioni relative al suo utilizzo e al suo futuro in medicina.
polieme, dai Laboratori Northfield, è un altro tipo di sangue artificiale. Foto per gentile concessione di Northfield Laboratories A prima vista, il sangue artificiale sembra una buona cosa. Ha una durata di conservazione più lunga del sangue umano. Poiché il processo di fabbricazione può includere la sterilizzazione, non comporta il rischio di trasmissione di malattie. I medici possono somministrarlo a pazienti di qualsiasi gruppo sanguigno. Inoltre, molte persone che non possono accettare trasfusioni di sangue per motivi religiosi possono accettare sangue artificiale, in particolare PFC, che non derivano dal sangue.
Però, il sangue artificiale è stato al centro di diverse controversie. I medici hanno abbandonato l'uso di HemAssist, il primo HBOC testato sugli esseri umani negli Stati Uniti, dopo che i pazienti che hanno ricevuto l'HBOC sono morti più spesso di quelli che hanno ricevuto il sangue donato. Qualche volta, le aziende farmaceutiche hanno avuto difficoltà a dimostrare che i loro vettori di ossigeno sono efficaci. Parte di questo è perché il sangue artificiale è diverso dal sangue reale, quindi può essere difficile sviluppare metodi accurati per il confronto. In altri casi, come quando il sangue artificiale viene utilizzato per fornire ossigeno attraverso il tessuto cerebrale gonfio, i risultati possono essere difficili da quantificare.
Un'altra fonte di controversia ha coinvolto gli studi sul sangue artificiale. Dal 2004 al 2006, Northfield Laboratories ha iniziato a testare un HBOC chiamato PolyHeme su pazienti traumatizzati. Lo studio ha avuto luogo in più di 20 ospedali negli Stati Uniti. Poiché molti pazienti traumatizzati sono incoscienti e non possono dare il consenso per le procedure mediche, la Food and Drug Administration (FDA) ha approvato il test come a studio senza consenso . In altre parole, i medici potrebbero dare ai pazienti PolyHeme invece di sangue vero senza prima chiedere.
I Northfield Laboratories hanno tenuto incontri per educare le persone nelle comunità in cui si è svolto lo studio. L'azienda ha anche dato alle persone l'opportunità di indossare un braccialetto che informava il personale di emergenza che preferiva non partecipare. Però, i critici hanno affermato che i Northfield Laboratories non avevano fatto abbastanza per educare il pubblico e hanno accusato l'azienda di violare l'etica medica.
I sostituti del sangue possono essere utilizzati come sostanze dopanti, proprio come il sangue umano può quando viene utilizzato nel doping del sangue. Un articolo dell'ottobre 2002 su "Wired" riportava che alcuni ciclisti stavano usando Oxyglobin, un veterinario HBOC, per aumentare la quantità di ossigeno nel sangue.
Nonostante le polemiche, il sangue artificiale potrebbe essere ampiamente utilizzato nei prossimi anni. Probabilmente anche le prossime generazioni di sostituti del sangue diventeranno più sofisticate. Nel futuro, HBOC e PFC possono assomigliare molto di più ai globuli rossi, e possono trasportare alcuni degli enzimi e degli antiossidanti che il sangue reale trasporta.
Vedere i collegamenti nella pagina successiva per ulteriori informazioni sul sangue, sangue artificiale e argomenti correlati.
Cellule artificialiLe terapie a base di ossigeno non sono le uniche cellule artificiali a farsi strada nei corpi umani. Isole incapsulate -- le cellule pancreatiche racchiuse in una membrana sintetica -- possono aiutare a curare il diabete. Carbone incapsulato può rimuovere droghe e veleni dal sangue di una persona.
