인공 혈액

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인공 혈액은 적혈구를 대체하기 위해 만들어진 제품입니다. 진혈은 다양한 기능을 수행하지만 인공 혈액은 신체 전체에 산소와 이산화탄소를 운반하는 유일한 목적으로 설계되었습니다. 인공 혈액의 종류에 따라 합성 생산, 화학적 분리 또는 재조합 생화학 기술을 사용하여 다양한 방식으로 생산할 수 있습니다. 최초의 대체 혈액의 개발은 1600년대 초반으로 거슬러 올라가며 이상적인 혈액 대체 물질에 대한 탐색은 계속되고 있습니다. 다양한 제조업체가 임상 시험 중인 제품을 보유하고 있습니다. 그러나 진정으로 안전하고 효과적인 인공 혈액 제품은 현재 시판되고 있지 않습니다. 인공 혈액 제품이 출시되면 미국에서만 연간 76억 달러 이상의 매출을 올릴 것으로 예상됩니다.

배경

혈액은 백혈구, 적혈구, 혈소판 및 혈장으로 구성된 특수한 유형의 결합 조직입니다. 그것은 신체에서 다양한 기능을 가지고 있습니다. 혈장은 혈소판과 함께 혈액 응고를 촉진하는 물, 염 및 다양한 단백질로 구성된 세포외 물질입니다. 혈장의 단백질은 공기와 반응하여 더 이상 출혈을 방지하기 위해 경화됩니다. 백혈구는 면역 방어를 담당합니다. 침입하는 유기체나 물질을 찾아내어 체내에 미치는 영향을 최소화합니다.

혈액의 적혈구는 밝은 붉은 색을 만듭니다. 혈액 두 방울에는 약 10억 개의 적혈구가 들어 있습니다. 이 세포는 몸 전체에 산소와 이산화탄소를 운반하는 역할을 합니다. 그들은 또한 "타이핑" 현상에 대한 책임이 있습니다. 이 세포의 막에는 신체가 자신의 것으로 인식하는 단백질이 있습니다. 이러한 이유로 사람은 자신의 유형과 호환되는 혈액만 사용할 수 있습니다. 현재 인공 혈액 제품은 적혈구의 기능을 대체하도록 설계되었습니다. 현재 개발 중인 제품을 인공 혈액이라기보다 산소 운반체라고 부르는 것이 더 나을 수도 있다.

연혁

환자가 심각한 부상으로 인해 출혈로 사망한 한 오랫동안 혈액 대체 요법이 필요했습니다. 의학 민속에 따르면 고대 잉카인은 최초의 기록된 수혈을 담당했습니다. 1616년 William Harvey가 혈액이 몸 전체로 순환하는 방식을 설명할 때까지는 혈액 대체물 개발에 실질적인 진전이 없었습니다. 이후 몇 년 동안 의사들은 맥주, 소변, 우유, 식물성 수지, 양의 혈액과 같은 수많은 물질을 혈액 대용으로 시도했습니다. 그들은 사람의 혈액을 바꾸는 것이 질병을 치료하거나 심지어 성격을 바꾸는 것과 같은 다양한 유익한 효과를 가질 수 있기를 바랐습니다. 최초의 성공적인 인간 수혈은 1667년에 이루어졌습니다. 불행히도, 후속 수혈을 받은 환자가 사망했기 때문에 이 수혈은 중단되었습니다.

수년에 걸쳐 혈액 대체제로 시도된 다양한 물질 중에서 극소수의 성공만 거두었습니다. 우유는 이러한 재료 중 최초의 것이었습니다. 1854년에 환자들에게 아시아 콜레라를 치료하기 위해 우유를 주사했습니다. 의사들은 우유가 백혈구 재생에 도움이 된다고 믿었습니다. 실제로, 혈액 대용으로 우유를 제공받은 환자 중 상당수가 개선되어 안전하고 합법적인 혈액 대체 시술로 결론이 났습니다. 그러나 많은 의사들은 여전히 ​​회의적이어서 우유 주사가 널리 퍼지지 않았습니다. 그것은 곧 버려지고 혈액 대용품으로 잊혀졌습니다.

또 다른 잠재적인 대체물은 소금 또는 식염수였습니다. 개구리에 대한 실험에서 과학자들은 혈액을 모두 제거하고 식염수로 대체하면 개구리를 한동안 살아 있게 할 수 있다는 것을 발견했습니다. 그러나 이러한 결과는 약간 오해의 소지가 있습니다. 왜냐하면 나중에 개구리가 혈액 순환 없이 짧은 시간 동안 생존할 수 있다는 것이 확인되었기 때문입니다. 많은 연구 끝에 식염수가 플라즈마 부피 확장기로 개발되었습니다.

1800년대에 시도된 다른 물질로는 헤모글로빈과 동물 혈장이 있습니다. 1868년에 연구자들은 적혈구에서 분리된 헤모글로빈을 함유한 용액이 혈액 대체제로 사용될 수 있음을 발견했습니다. 1871년에 그들은 또한 동물의 혈장과 혈액을 인간의 혈액 대신 사용하는 방법을 연구했습니다. 이 두 가지 접근 방식 모두 심각한 기술적 문제로 인해 방해를 받았습니다. 첫째, 과학자들은 많은 양의 헤모글로빈을 분리하는 것이 어렵다는 것을 발견했습니다. 둘째, 동물성 제품에는 인간에게 유독한 많은 물질이 포함되어 있습니다. 이러한 독소를 제거하는 것은 19세기에 어려운 일이었습니다.

인공 혈액 개발의 중요한 돌파구는 1883년에 링거 용액(나트륨, 칼륨, 칼슘 염으로 구성된 용액)의 개발로 이루어졌습니다. 개구리 심장의 일부를 사용하는 연구에서 과학자들은 용액을 적용함으로써 심장이 계속 뛰는 것을 발견했습니다. 이는 결국 링거액을 사용하여 혈액량 감소로 인한 혈압 감소를 회복할 수 있다는 발견으로 이어졌습니다. 이 제품은 젖산이 첨가되었을 때 인간 제품으로 진화했습니다. 오늘날에도 여전히 혈액량 확장제로 사용되지만 Ringer의 용액은 적혈구의 작용을 대체하지 않으므로 진정한 혈액 대체물이 아닙니다.

칼 란트슈타이너

면역학의 아버지라 불리는 칼 란트슈타이너는 오스트리아의 저명한 저널리스트이자 편집자인 레오폴드 란트슈타이너와 파니 헤스 란트슈타이너의 외동딸이었다. Landsteiner는 비엔나 대학에서 교육을 받았으며 1891년에 의학 학위를 받았습니다. 의과 대학에 있는 동안 Landsteiner는 그의 교수 중 한 명인 Ernst Ludwig에게 큰 영감을 받아 화학 실험 작업을 시작했습니다. 의학 학위를 받은 후 Landsteiner는 Emil Fischer를 위해 유기 화학 분야의 고급 연구를 수행하는 데 5년을 보냈지만 의학은 여전히 ​​그의 주요 관심사였습니다. 1886-1897년 동안 그는 비엔나 대학의 위생 연구소에서 이러한 관심을 결합하여 면역학과 혈청학을 연구했습니다. 그 후 면역학 및 혈청학은 Landsteiner의 평생 초점이 되었습니다. Landsteiner는 주로 수혈의 안전성과 효율성 부족에 관심이 있었습니다. 그의 작업 이전에는 기증자의 혈액이 환자에게서 자주 응고되기 때문에 수혈이 위험하고 제대로 활용되지 않았습니다. Landsteiner는 다른 피험자의 혈액이 섞일 때 혈액이 항상 응고되지 않는다는 사실에 흥미를 느꼈습니다. 그는 혈액에 본질적인 생화학적 유사성과 비유사성이 있다고 믿었습니다.

동료의 혈액 샘플을 사용하여 그는 혈청에서 혈액 세포를 분리하고 염수 용액에 적혈구를 현탁했습니다. 그런 다음 그는 각 개인의 혈청을 모든 세포 현탁액과 샘플 그롬과 혼합했습니다. 일부 관리에서 응고가 발생했습니다. 다른 사람들에서는 응고가 없었습니다. Landsteiner는 인간이 다른 혈청이 있을 때 적혈구가 응고하는 능력에 따라 혈액형으로 분리될 수 있다고 결정했습니다. 그는 자신의 혈액 분류 그룹을 A, B, O로 명명했습니다. 네 번째 그룹 AB는 다음 해에 발견되었습니다. 이 작업의 결과는 환자와 기증자의 혈액형을 미리 지정할 수 있어 수혈을 안전하고 일상적인 의료 행위로 만들 수 있었습니다. 이 발견으로 Landsteiner는 1930년 생리학 또는 의학 분야에서 노벨상을 받았습니다.

과학자들이 혈액의 역할과 신체에서 혈액의 기능을 둘러싼 문제에 대한 더 나은 이해를 개발할 때까지 수혈 연구는 진전되지 않았습니다. 제1차 세계 대전 중에 갈락토소-글루콘산을 함유한 검-식염수 용액을 사용하여 혈장을 확장했습니다. 농도, pH, 온도를 조절하면 전혈 점도에 맞도록 이 물질을 설계할 수 있어 의사가 혈장을 덜 사용할 수 있다. 1920년대에 이 껌 용액이 건강에 부정적인 영향을 미친다는 연구 결과가 나왔습니다. 1930년대까지 이 재료의 사용은 상당히 감소했습니다. 제2차 세계 대전은 혈액 및 혈액 대체물 연구에 대한 관심을 다시 불러일으켰습니다. 인간에게서 기증된 플라즈마는 일반적으로 혈액을 대체하고 출혈성 쇼크로부터 군인을 구하는 데 사용되었습니다. 결국 이는 1947년 미국 적십자사에서 혈액 은행을 설립하는 계기가 되었습니다.

1966년에 쥐를 대상으로 한 실험에서 새로운 유형의 혈액 대체 물질인 과불소화학물질(PFC)이 제안되었습니다. 이들은 테프론과 유사한 장쇄 중합체입니다. 쥐가 PFC에 담근 후에도 생존할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이것은 과학자들에게 PFC를 혈액 희석제로 사용하는 아이디어를 제공했습니다. 1968년에 이 아이디어는 쥐를 대상으로 테스트되었습니다. 쥐의 혈액을 완전히 제거하고 PFC 에멀젼으로 교체했습니다. 동물은 몇 시간 동안 살았고 혈액을 교체한 후 완전히 회복되었습니다.

그러나 확립된 혈액 은행 시스템이 잘 작동하여 혈액 대체제에 대한 연구가 시들해졌습니다. 베트남 전쟁 당시 혈액은행 시스템의 허점이 발견되면서 새로운 관심을 받았다. 이로 인해 일부 연구자들은 헤모글로빈 용액 및 기타 합성 산소 운반체를 찾기 시작했습니다. 이 분야에 대한 연구는 HIV와 간염이 수혈을 통해 전염될 수 있다는 것이 발견된 1986년에 더욱 가속화되었습니다.

디자인

이상적인 인공 혈액 제품은 다음과 같은 특징이 있습니다. 첫째, 인체 내에서 사용하기에 안전하고 호환되어야 합니다. 이것은 인공 혈액을 사용할 때 다른 혈액형이 문제가 되지 않아야 함을 의미합니다. 또한 인공 혈액을 처리하여 바이러스 및 미생물과 같은 모든 질병 유발 인자를 제거할 수 있음을 의미합니다. 둘째, 몸 전체에 산소를 운반하고 필요한 곳에 산소를 방출할 수 있어야 합니다. 셋째, 보관 안정성이 있어야 합니다. 인공 혈액은 기증된 혈액과 달리 1년 이상 저장할 수 있습니다. 이것은 분해되기 전에 한 달 동안만 저장할 수 있는 자연 혈액과 대조됩니다. 혈액 대용품으로 개발 중인 두 가지 상당히 다른 제품이 있습니다. 그들은 주로 산소를 운반하는 방식이 다릅니다. 하나는 PFC 기반이고 다른 하나는 헤모글로빈 기반 제품입니다.

과불화탄소(PFC)

제안된 바와 같이, PFC는 혈장보다 약 50배 더 ​​많은 산소를 용해할 수 있는 생물학적으로 불활성인 물질입니다. 그들은 상대적으로 생산 비용이 저렴하고 생물학적 물질 없이 만들 수 있습니다. 이것은 수혈을 통해 전염병이 퍼질 가능성을 제거합니다. 기술적인 면에서 인공혈액으로 활용되기 위해서는 넘어야 할 두 가지 중요한 장애물이 있다. 첫째, 그것들은 물에 용해되지 않습니다. 즉, 그것들을 작동시키려면 유화제(혈액에서 과불화화학물질의 작은 입자를 현탁시킬 수 있는 지질이라고 하는 지방 화합물)와 결합해야 합니다. 둘째, 헤모글로빈 기반 제품보다 훨씬 적은 양의 산소를 운반할 수 있습니다. 이는 훨씬 더 많은 PFC를 사용해야 함을 의미합니다. 이러한 유형의 제품 중 하나는 미국 연방 의약청(FDA)의 사용 승인을 받았지만 혜택을 제공하는 데 필요한 양이 너무 많아 상업적으로 성공하지 못했습니다. 개선된 PFC 에멀젼이 개발되고 있지만 아직 시장에 출시되지는 않았습니다.

헤모글로빈 기반 제품

헤모글로빈은 폐에서 신체의 다른 조직으로 산소를 운반합니다. 헤모글로빈을 기반으로 한 인공 혈액은 이러한 자연 기능을 이용합니다. 용해가 핵심 메커니즘인 PFC 제품과 달리 산소는 헤모글로빈에 공유 결합됩니다. 이러한 헤모글로빈 제품은 전혈과 달리 막에 포함되어 있지 않아 혈액형 문제가 없습니다. 그러나 생 헤모글로빈은 체내에서 더 작은 독성 화합물로 분해되기 때문에 사용할 수 없습니다. 용액에서 헤모글로빈의 안정성에도 문제가 있습니다. 헤모글로빈 기반 인공 혈액을 만드는 데 있어 과제는 이러한 문제를 해결하도록 헤모글로빈 분자를 수정하는 것입니다. 헤모글로빈을 안정화하기 위해 다양한 전략이 사용됩니다. 이것은 화학적으로 인공 혈액은 합성 생산, 화학적 분리 또는 재조합 생화학 기술을 사용하여 다양한 방식으로 생산할 수 있습니다. 합성 헤모글로빈 기반 제품은 대장균 에서 채취한 헤모글로빈으로 생산됩니다. 박테리아 균주. 헤모글로빈은 종자 탱크에서 성장한 다음 발효됩니다. 분자를 교차 연결하거나 재조합 DNA 기술을 사용하여 변형된 단백질을 생산합니다. 이러한 변형된 헤모글로빈은 안정하고 용액에 용해됩니다. 이론적으로 이러한 변형으로 인해 우리 자신의 적혈구보다 산소를 운반하는 능력이 더 뛰어난 제품이 탄생해야 합니다. 이들 제품 중 첫 번째 제품은 1~2년 이내에 출시될 것으로 예상됩니다.

원자재

만드는 인공 혈액의 종류에 따라 다양한 원료가 사용됩니다. 헤모글로빈 기반 제품은 분리된 헤모글로빈 또는 합성적으로 생성된 헤모글로빈을 사용할 수 있습니다.

합성으로 헤모글로빈을 생산하기 위해 제조업체는 아미노산으로 알려진 화합물을 사용합니다. 이것들은 식물과 동물이 생명에 필수적인 단백질을 만들기 위해 사용하는 화학 물질입니다. 헤모글로빈을 생성하는 데 사용할 수 있는 20가지 자연 발생 아미노산이 있습니다. 모든 아미노산 분자는 특정 화학적 특성을 공유합니다. 그들은 아미노기, 카르복실기 및 측쇄로 구성됩니다. 측쇄의 성질은 다양한 아미노산을 구별합니다. 헤모글로빈 합성에는 특정 유형의 박테리아와 이를 배양하는 데 필요한 모든 재료도 필요합니다. 여기에는 따뜻한 물, 당밀, 포도당, 아세트산, 알코올, 요소 및 액체 암모니아가 포함됩니다.

다른 유형의 헤모글로빈 기반 인공 혈액 제품의 경우 헤모글로빈은 인간 혈액에서 분리됩니다. 일반적으로 사용하기 전에 만료된 기증된 혈액에서 얻습니다. 헤모글로빈의 다른 출처는 사용된 동물의 혈액에서 나옵니다. 이 헤모글로빈은 인간 헤모글로빈과 약간 다르므로 사용하기 전에 수정해야 합니다.

제조
프로세스

인공 혈액의 생산은 다양한 방법으로 수행될 수 있습니다. 헤모글로빈 기반 제품의 경우 여기에는 헤모글로빈의 분리 또는 합성, 분자 변형 후 인공 혈액 제제로 재구성이 포함됩니다. PFC 제품은 중합 반응을 수반합니다. 합성 헤모글로빈 기반 제품의 생산 방법은 아래에 설명되어 있습니다.

헤모글로빈 합성

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1 대장균 균주인 헤모글로빈을 얻기 위해 인간 헤모글로빈을 생산하는 능력을 가진 박테리아가 사용됩니다. 약 3일 동안 단백질이 수확되고 박테리아가 파괴됩니다. 발효 과정을 시작하기 위해 순수한 박테리아 배양 샘플을 성장에 필요한 모든 영양소가 들어 있는 시험관으로 옮깁니다. 이 초기 접종은 박테리아를 증식시킵니다. 개체수가 충분히 많으면 종자 탱크로 옮겨집니다.

2 종자 탱크는 박테리아가 자라기에 이상적인 환경을 제공하는 대형 스테인리스 스틸 주전자입니다. 헤모글로빈 생성에 필요한 따뜻한 물, 음식, 암모니아 공급원으로 채워져 있습니다. 비타민, 아미노산 및 미량 영양소와 같은 기타 성장 인자도 추가됩니다. 종자 탱크 내부의 박테리아 용액은 지속적으로 압축 공기로 목욕되고 계속 움직이도록 혼합됩니다. 충분한 시간이 지나면 종자 탱크의 내용물이 발효 탱크로 펌핑됩니다.

3 발효 탱크는 종자 탱크의 더 큰 버전입니다. 그것은 또한 박테리아가 성장하고 헤모글로빈을 생성하는 데 필요한 성장 배지로 채워져 있습니다. pH 조절은 최적의 성장을 위해 필수적이므로 암모니아수는 필요에 따라 탱크에 추가됩니다. 충분한 헤모글로빈이 생성되면 격리를 시작할 수 있도록 탱크를 비웁니다.

4 분리는 많은 헤모글로빈을 분리하는 원심 분리기에서 시작됩니다. 분별 증류를 사용하여 추가로 분리 및 정제할 수 있습니다. 이 표준 일단 발효되면 헤모글로빈이 정제되고 물 및 기타 전해질과 혼합되어 사용 가능한 인공 혈액이 생성됩니다. 컬럼 분리 방법은 액체를 끓여 하나 이상의 구성 요소를 분리하는 원리를 기반으로하며 분별 컬럼이라는 수직 구조를 사용합니다. 이 컬럼에서 헤모글로빈은 최종 처리 탱크로 옮겨집니다.

최종 처리

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5 여기에서 물 및 기타 전해질과 혼합하여 인공 혈액을 생성합니다. 그런 다음 인공 혈액을 저온 살균하고 적절한 포장에 넣을 수 있습니다. 화합물의 품질은 전체 공정 동안 정기적으로 확인됩니다. 특히 중요한 것은 세균 배양을 자주 확인하는 것입니다. 또한 pH, 융점, 수분 함량 등과 같은 완제품의 다양한 물리적 및 화학적 특성을 확인합니다. 이 생산 방법은 최대 2,640gal(10,000L)의 배치를 생산할 수 있는 것으로 나타났습니다.

미래

현재 여러 회사에서 안전하고 효과적인 인공 혈액 대체제를 생산하기 위해 노력하고 있습니다. 다양한 혈액 대체제는 모두 특정 제한 사항을 겪습니다. 예를 들어, 대부분의 헤모글로빈 기반 제품은 체내에서 20-30시간 이상 지속되지 않습니다. 이것은 34일 동안 지속되는 전혈 수혈과 비교됩니다. 또한 이러한 혈액 대체제는 질병과 혈전에 맞서 싸우는 혈액의 능력을 모방하지 않습니다. 결과적으로 현재 인공 혈액 기술은 단기 혈액 대체 응용 분야로 제한됩니다. 앞으로는 체내에 산소를 운반하는 새로운 물질이 발견될 것으로 기대된다. 또한 더 오래 지속되는 제품뿐만 아니라 혈액의 다른 기능을 수행하는 제품도 개발되어야 합니다.