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on Bier bis Biotechnologie: Was sind die seltsamsten Blutersatzstoffe der Geschichte
Blutersatz (auch künstliches Blut oder Blutsurrogat genannt) ist eine Substanz, die biologisches Blut simuliert und bestimmte Funktionen erfüllt. Diese Ersatzstoffe sollen eine Alternative zur Transfusion bieten, bei der Blut oder blutbasierte Produkte von einer Person auf eine andere übertragen werden. Bis heute gibt es keinen anerkannten Ersatz für sauerstofftragendes Blut, das typische Ziel von Erythrozytentransfusionen. Für Situationen, in denen lediglich eine Flüssigkeitsergänzung erforderlich ist, sind jedoch mehrere nicht auf Blut basierende Volumenexpander im Handel erhältlich. Diese Produkte helfen Ärzten und Chirurgen, das Risiko einer Krankheitsübertragung und einer Unterdrückung des Immunsystems zu vermeiden, und tragen zugleich zur Bekämpfung des Mangels an Blutspendern und zur Erfüllung der Bedürfnisse derjenigen bei, die Bluttransfusionen aus religiösen Gründen ablehnen, wie etwa Zeugen Jehovas.
Zu den wichtigsten „sauerstofftragenden“ Blutersatzstoffen zählen hämoglobinbasierte Sauerstoffträger (HBOCs) und Perfluorcarbon-Emulsionen, während Produkte zur Sauerstofftherapie derzeit in den USA und der Europäischen Union klinisch getestet werden.
Die Geschichte der Forschung zu Blutersatzstoffen reicht bis ins Jahr 1616 zurück, als William Harvey das Blutkreislaufsystem entdeckte. Damals experimentierten Wissenschaftler mit Bier, Urin, Milch und dem Blut anderer Tiere als Blutersatz. Sir Christopher Wren schlug sogar vor, als Alternativen Wein und Opium zu verwenden. Mit der Entwicklung der modernen Transfusionsmedizin im frühen 20. Jahrhundert führten die Arbeiten von Landstein und seinen Mitautoren zu einem ersten Verständnis der Grundprinzipien der Blutgruppenbestimmungsserologie.
Einschränkungen der Bluttransfusionsmedizin in Kriegssituationen, beispielsweise während des Zweiten Weltkriegs, ebneten den Weg für die Forschung nach Blutersatzstoffen.
Frühe Versuche mit Blutersatzstoffen waren mit erheblichen Nebenwirkungen verbunden, die mit dem damals verfügbaren Wissen und der damaligen Technologie nicht schnell genug beseitigt werden konnten. Das Auftreten von AIDS in den 1980er Jahren machte die Entwicklung sichererer Blutersatzstoffe erneut erforderlich. Angesichts der öffentlichen Besorgnis über die Sicherheit der Blutversorgung und der Auswirkungen der bovinen spongiformen Enzephalopathie gehen die Blutspenden weiter zurück, während die Nachfrage weiter steigt. Diese widersprüchliche Situation hat ein günstiges Umfeld für die weitere Entwicklung von Blutersatzstoffen geschaffen. Im Jahr 2023 kündigte die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) die Finanzierung von 12 Universitäten und Laboren an, um Forschungen zu synthetischem Blut durchzuführen. Die ersten Versuche am Menschen sollen zwischen 2028 und 2030 stattfinden.
Entwicklungspfad
Bei der Entwicklung von Blutersatzstoffen lag der Schwerpunkt auf Molekülen, die Sauerstoff transportieren können, wobei der Schwerpunkt auf rekombinantem Hämoglobin (dem Molekül, das normalerweise Sauerstoff transportiert) und Perfluorkohlenwasserstoffen (PFCs) lag. Der erste zugelassene sauerstofftragende Blutersatz war ein auf Perfluorkohlenwasserstoff basierendes Produkt namens Fluosol-DA-20, das von der japanischen Green Cross Corporation hergestellt und 1989 von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zugelassen wurde. Obwohl das Produkt 1994 aufgrund eingeschränkter Wirksamkeit, Lernschwierigkeiten und Nebenwirkungen vom Markt genommen wurde, ist Fluosol-DA nach wie vor das einzige Sauerstofftherapieprodukt, das die volle FDA-Zulassung erhält.
Bis 2017 sind keine Produkte auf Hämoglobinbasis mehr zugelassen.
Erforschung von Perfluorkohlenwasserstoffen
Perfluorierte Chemikalien sind wasserunlöslich und vermischen sich nicht mit Blut. Daher muss durch Dispergieren kleiner PFC-Partikel in Wasser eine Emulsion hergestellt werden. Diese Flüssigkeit wird mit Antibiotika, Vitaminen, Nährstoffen und Salzen gemischt, um einen Cocktail aus etwa 80 verschiedenen Komponenten zu erzeugen, die viele der wichtigen Funktionen des natürlichen Blutes erfüllen. Der Durchmesser von PFC-Partikeln beträgt etwa 1/40 des Durchmessers von roten Blutkörperchen. Diese geringe Größe ermöglicht es PFC-Partikeln, durch Kapillare zu gelangen, in denen kein Blutfluss stattfindet, was theoretisch Vorteile für geschädigtes, ischämisches Gewebe bieten kann.
PFC-Lösungen haben eine so starke Sauerstofftransportkapazität, dass sogar Säugetiere (einschließlich Menschen) das Einatmen flüssiger PFC-Lösungen überleben können. PFCs bieten darüber hinaus den Vorteil, dass sie nicht auf modifiziertes Hämoglobin angewiesen sind, über unbegrenzte Produktionskapazitäten verfügen, eine Hitzesterilisation sowie einen hocheffizienten Sauerstofftransfer und Kohlendioxidentfernung ermöglichen.
Hämoglobinbasierte HerausforderungenHämoglobin ist der Hauptbestandteil der roten Blutkörperchen und macht etwa 33 % der Zellmasse aus. Produkte auf Hämoglobinbasis werden als Hämoglobin-basierte Sauerstoffträger (HBOCs) bezeichnet. Unmodifiziertes freies Hämoglobin ist aufgrund seiner hohen Sauerstoffaffinität und seiner kurzen Halbwertszeit in Blutgefäßen nicht in der Lage, Gewebe wirksam mit Sauerstoff zu versorgen, was seine klinische Anwendung einschränkt. Um diese Toxizität zu überwinden, haben Forscher verschiedene Ansätze wie Gentechnik, Vernetzung, Polymerisation und Einkapselung verfolgt.
Die Forschung und Entwicklung vieler Produkte auf Hämoglobinbasis hat viele Höhen und Tiefen erlebt. Viele Produkte wurden aufgrund erhöhter Sterblichkeitsraten oder Sicherheitsbedenken eingestellt und keines davon wird bis heute fortgeführt.
Möglichkeiten von Stammzellen
Stammzellen bieten die Möglichkeit, transfusionsfähiges Blut zu produzieren. Nach der Forschung von Giarratana et al. werden hämatopoetische Stammzellen für die groß angelegte In-vitro-Produktion reifer menschlicher Blutzellen verwendet. Diese kultivierten Zellen haben den gleichen Hämoglobingehalt und die gleiche Morphologie wie natürliche rote Blutkörperchen und ihre Lebensdauer liegt nahe das der normalen roten Blutkörperchen.
Im Jahr 2010 begann ein Experimentalteam des US-Verteidigungsministeriums damit, künstliches Blut für den Einsatz in entlegenen Gebieten herzustellen und verletzten Soldaten schneller Bluttransfusionen zu ermöglichen. Das Blut wird aus hämatopoetischen Stammzellen hergestellt, die mithilfe eines als „Hämotherapie“ bezeichneten Prozesses aus der Nabelschnur einer menschlichen Mutter entnommen werden. Die Technologie wurde in der Vergangenheit bei Tieren und Pflanzen zur Massenproduktion medizinischer Substanzen eingesetzt, wobei aus jeder Nabelschnur etwa 20 Einheiten Blut gewonnen wurden.
Nach einer Überprüfung durch die FDA wurde festgestellt, dass diese Blutgruppe sicher ist und den FDA-Anforderungen entspricht. Bei erfolgreicher Anwendung sinken die Kosten pro Einheit von 5.000 USD auf weniger als 1.000 USD und es ist mit allen gängigen Blutgruppen kompatibel.
Heute, mit der Entwicklung der Technologie, erscheinen künstliches Blut und seine Anwendung immer vielversprechender. Doch ob die Entwicklung von Blutersatzstoffen die medizinischen Herausforderungen, vor denen wir stehen, wirklich lösen kann, bedarf noch eingehender Überlegungen.
