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alla birra alla biotecnologia: quali sono stati i sostituti del sangue più strani della storia
Il sostituto del sangue (noto anche come sangue artificiale o surrogato del sangue) è una sostanza che simula e soddisfa determinate funzioni del sangue biologico. Questi sostituti sono concepiti per offrire un'alternativa alla trasfusione, il processo di trasferimento di sangue o di emoderivati da una persona all'altra. Ad oggi non esiste un sostituto riconosciuto per il sangue che trasporta ossigeno, il tipico bersaglio delle trasfusioni di globuli rossi; tuttavia, sono disponibili in commercio diversi espansori di volume non ematico per le situazioni in cui è richiesto solo il ripristino dei liquidi. Questi prodotti aiutano medici e chirurghi a evitare i rischi di trasmissione di malattie e di immunodepressione, affrontando al contempo la carenza di donatori di sangue e soddisfacendo le esigenze di coloro che rifiutano le trasfusioni di sangue per motivi religiosi, come i Testimoni di Geova.
I principali sostituti del sangue che trasportano ossigeno includono i trasportatori di ossigeno a base di emoglobina (HBOC) e le emulsioni di perfluorocarburi, mentre i prodotti per l'ossigenoterapia sono attualmente sottoposti a sperimentazioni cliniche negli Stati Uniti e nell'Unione Europea.
La storia della ricerca sui sostituti del sangue risale al 1616, quando William Harvey scoprì il sistema circolatorio del sangue. All'epoca gli scienziati sperimentarono come sostituti del sangue la birra, l'urina, il latte e il sangue di animali non umani. Sir Christopher Wren propose addirittura di utilizzare il vino e l'oppio come alternative. Con lo sviluppo della moderna medicina trasfusionale nei primi anni del XX secolo, il lavoro di Landstein e dei suoi coautori portò a una prima comprensione dei principi fondamentali della sierologia della tipizzazione del sangue.
Le restrizioni alla medicina trasfusionale in situazioni di guerra, come durante la seconda guerra mondiale, hanno aperto la strada alla ricerca sui sostituti del sangue.
I primi tentativi di sostituire il sangue comportarono notevoli effetti collaterali che le conoscenze e la tecnologia disponibili all'epoca non riuscirono a eliminare abbastanza rapidamente. La comparsa dell'AIDS negli anni '80 ha nuovamente stimolato la necessità di sviluppare sostituti del sangue più sicuri. Con le preoccupazioni pubbliche sulla sicurezza delle scorte di sangue e l'impatto dell'encefalopatia spongiforme bovina, le donazioni di sangue continuano a diminuire mentre la domanda continua ad aumentare. Questa situazione contraddittoria ha creato un ambiente favorevole per l'ulteriore sviluppo di sostituti del sangue. Nel 2023, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ha annunciato il finanziamento di 12 università e laboratori per condurre ricerche sul sangue sintetico, con sperimentazioni sull'uomo previste tra il 2028 e il 2030.
Percorso di sviluppo
Lo sviluppo di sostituti del sangue si è concentrato su molecole in grado di trasportare ossigeno, con un lavoro importante incentrato sull'emoglobina ricombinante (la molecola che normalmente trasporta l'ossigeno) e sui perfluorocarburi (PFC). Il primo sostituto del sangue che trasporta ossigeno approvato è stato un prodotto a base di perfluorocarburi, il Fluosol-DA-20, prodotto dalla Green Cross Corporation del Giappone e approvato dalla Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti nel 1989. Sebbene il prodotto sia stato ritirato nel 1994 a causa della sua limitata efficacia, delle difficoltà di apprendimento e degli effetti collaterali, Fluosol-DA rimane l'unico prodotto per l'ossigenoterapia ad aver ricevuto la piena approvazione della FDA.
A partire dal 2017, non è stato approvato alcun prodotto a base di emoglobina.
Esplorazione dei perfluorocarburi
I prodotti chimici perfluorurati sono insolubili in acqua e non si mescolano con il sangue, quindi è necessario creare un'emulsione disperdendo piccole particelle di PFC nell'acqua. Questo fluido viene miscelato con antibiotici, vitamine, sostanze nutritive e sali per creare un cocktail di circa 80 componenti diversi che svolgono molte delle importanti funzioni del sangue naturale. Il diametro delle particelle PFC è circa 1/40 di quello dei globuli rossi. Questa piccola dimensione consente alle particelle PFC di passare attraverso i capillari dove non c'è flusso di globuli rossi, il che può teoricamente fornire benefici per i tessuti danneggiati e ischemici.
Le soluzioni PFC hanno una capacità di trasporto dell'ossigeno così elevata che perfino i mammiferi (compresi gli esseri umani) possono sopravvivere respirando soluzioni PFC liquide. I PFC offrono inoltre vantaggi che non dipendono dall'emoglobina modificata, hanno una capacità di produzione illimitata e sono in grado di sterilizzare a caldo e di trasferire l'ossigeno e rimuovere l'anidride carbonica in modo altamente efficiente.
Sfide basate sull'emoglobinaL'emoglobina è il componente principale dei globuli rossi e rappresenta circa il 33% della massa cellulare. I prodotti a base di emoglobina sono chiamati trasportatori di ossigeno a base di emoglobina (HBOC). L'emoglobina libera non modificata non è in grado di ossigenare efficacemente i tessuti a causa della sua elevata affinità per l'ossigeno e della sua breve emivita nei vasi sanguigni, il che ne limita l'applicazione clinica. Per superare queste tossicità, i ricercatori hanno adottato vari approcci, come l'ingegneria genetica, la reticolazione, la polimerizzazione e l'incapsulamento.
La ricerca e lo sviluppo di molti prodotti a base di emoglobina hanno attraversato colpi di scena. Molti prodotti sono stati interrotti a causa di un aumento della mortalità o di problemi di sicurezza, e nessuno di loro è stato prodotto fino a oggi.
Possibilità delle cellule staminali
Le cellule staminali offrono la possibilità di produrre sangue trasfusionale. Secondo la ricerca di Giarratana et al., le cellule staminali ematopoietiche vengono utilizzate per la produzione in vitro su larga scala di cellule del sangue umane mature. Queste cellule coltivate hanno lo stesso contenuto di emoglobina e la stessa morfologia dei globuli rossi naturali e la loro durata di vita è vicina a quello dei globuli rossi normali.
Nel 2010, un team sperimentale del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ha iniziato a lavorare per creare sangue artificiale da utilizzare nelle aree remote e per trasfondere più rapidamente il sangue ai soldati feriti. Il sangue è prodotto da cellule staminali emopoietiche prelevate dal cordone ombelicale di una madre umana, mediante un processo chiamato "emoterapia". Questa tecnologia è stata utilizzata in passato su animali e piante per produrre in serie sostanze mediche: ogni cordone ombelicale produce circa 20 unità di sangue.
Dopo la revisione della FDA, questo tipo di sangue è risultato sicuro e soddisfa i requisiti della FDA. Se utilizzato con successo, il costo per unità scenderà da $ 5.000 a meno di $ 1.000 e sarà compatibile con tutti i tipi di sangue comuni.
Oggi, con l'evoluzione della tecnologia, la prospettiva del sangue artificiale sembra essere sempre più promettente, ma è ancora necessario riflettere attentamente se lo sviluppo di sostituti del sangue possa davvero risolvere le sfide mediche che ci troviamo ad affrontare?
