Darah Buatan

Darah buatan adalah produk yang dibuat untuk bertindak sebagai pengganti sel darah merah. Sementara darah sejati melayani banyak fungsi yang berbeda, darah buatan dirancang untuk tujuan tunggal mengangkut oksigen dan karbon dioksida ke seluruh tubuh. Tergantung pada jenis darah buatan, itu dapat diproduksi dengan cara yang berbeda menggunakan produksi sintetis, isolasi kimia, atau teknologi biokimia rekombinan. Pengembangan pengganti darah pertama dimulai pada awal 1600-an, dan pencarian pengganti darah yang ideal terus berlanjut. Berbagai produsen memiliki produk dalam uji klinis; namun, saat ini tidak ada produk darah buatan yang benar-benar aman dan efektif yang dipasarkan. Diperkirakan bahwa ketika produk darah buatan tersedia, itu akan memiliki penjualan tahunan lebih dari $7,6 miliar di Amerika Serikat saja.

Latar Belakang

Darah adalah jenis khusus jaringan ikat yang terdiri dari sel darah putih, sel darah merah, trombosit, dan plasma. Ini memiliki berbagai fungsi dalam tubuh. Plasma adalah bahan ekstraseluler yang terdiri dari air, garam, dan berbagai protein yang, bersama dengan trombosit, mendorong darah untuk membeku. Protein dalam plasma bereaksi dengan udara dan mengeras untuk mencegah pendarahan lebih lanjut. Sel darah putih bertanggung jawab untuk pertahanan kekebalan tubuh. Mereka mencari organisme atau bahan yang menyerang dan meminimalkan efeknya dalam tubuh.

Sel darah merah dalam darah menciptakan warna merah cerah. Sedikitnya dua tetes darah mengandung sekitar satu miliar sel darah merah. Sel-sel ini bertanggung jawab untuk transportasi oksigen dan karbon dioksida ke seluruh tubuh. Mereka juga bertanggung jawab atas fenomena "mengetik". Pada membran sel-sel ini terdapat protein yang dikenali tubuh sebagai miliknya. Untuk alasan ini, seseorang hanya dapat menggunakan darah yang sesuai dengan tipenya. Saat ini, produk darah buatan hanya dirancang untuk menggantikan fungsi sel darah merah. Bahkan mungkin lebih baik untuk menyebut produk yang sedang dikembangkan sekarang, pembawa oksigen daripada darah buatan.

Sejarah

Telah ada kebutuhan untuk penggantian darah selama pasien mengalami pendarahan sampai mati karena cedera serius. Menurut cerita rakyat medis, suku Inca kuno bertanggung jawab atas transfusi darah pertama yang tercatat. Tidak ada kemajuan nyata yang dibuat dalam pengembangan pengganti darah sampai tahun 1616, ketika William Harvey menjelaskan bagaimana darah diedarkan ke seluruh tubuh. Pada tahun-tahun berikutnya, praktisi medis mencoba berbagai zat seperti bir, urin, susu, resin tumbuhan, dan darah domba sebagai pengganti darah. Mereka berharap bahwa mengubah darah seseorang dapat memiliki efek menguntungkan yang berbeda seperti menyembuhkan penyakit atau bahkan mengubah kepribadian. Transfusi darah manusia pertama yang berhasil dilakukan pada tahun 1667. Sayangnya, praktik tersebut dihentikan karena pasien yang menerima transfusi berikutnya meninggal.

Dari berbagai bahan yang dicoba sebagai pengganti darah selama bertahun-tahun, hanya sedikit yang berhasil dengan minimal. Susu adalah salah satu yang pertama dari bahan-bahan ini. Pada tahun 1854, pasien disuntik dengan susu untuk mengobati kolera Asia. Dokter percaya bahwa susu membantu regenerasi sel darah putih. Faktanya, cukup banyak pasien yang diberi susu sebagai pengganti darah tampaknya membaik sehingga disimpulkan sebagai prosedur penggantian darah yang aman dan sah. Namun, banyak praktisi tetap skeptis sehingga suntikan susu tidak pernah mendapatkan daya tarik yang luas. Itu segera dibuang dan dilupakan sebagai pengganti darah.

Pengganti potensial lainnya adalah larutan garam atau garam. Dalam percobaan yang dilakukan pada katak, para ilmuwan menemukan bahwa mereka dapat membuat katak tetap hidup selama beberapa waktu jika mereka membuang semua darahnya dan menggantinya dengan larutan garam. Hasil ini sedikit menyesatkan, karena kemudian ditentukan bahwa katak dapat bertahan hidup untuk waktu yang singkat tanpa sirkulasi darah sama sekali. Setelah banyak penelitian, saline dikembangkan sebagai plasma volume expander.

Bahan lain yang dicoba selama 1800-an termasuk hemoglobin dan plasma hewan. Pada tahun 1868, para peneliti menemukan bahwa larutan yang mengandung hemoglobin yang diisolasi dari sel darah merah dapat digunakan sebagai pengganti darah. Pada tahun 1871, mereka juga meneliti penggunaan plasma hewan dan darah sebagai pengganti darah manusia. Kedua pendekatan ini terhambat oleh masalah teknologi yang signifikan. Pertama, para ilmuwan merasa sulit untuk mengisolasi sejumlah besar hemoglobin. Kedua, produk hewani mengandung banyak bahan yang bersifat racun bagi manusia. Menghapus racun ini merupakan tantangan selama abad kesembilan belas.

Terobosan signifikan dalam pengembangan darah buatan datang pada tahun 1883 dengan pembuatan larutan Ringer—larutan yang terdiri dari garam natrium, kalium, dan kalsium. Dalam penelitian yang menggunakan bagian jantung katak, para ilmuwan menemukan bahwa jantung dapat terus berdetak dengan menerapkan larutan tersebut. Hal ini akhirnya mengarah pada temuan bahwa penurunan tekanan darah yang disebabkan oleh hilangnya volume darah dapat dipulihkan dengan menggunakan larutan Ringer. Produk ini berkembang menjadi produk manusia ketika laktat ditambahkan. Meskipun masih digunakan sampai sekarang sebagai penambah volume darah, larutan Ringer tidak menggantikan kerja sel darah merah sehingga bukan pengganti darah yang sebenarnya.

Karl Landsteiner

Karl Landsteiner, yang disebut sebagai bapak imunologi, adalah anak tunggal dari Leopold Landsteiner, seorang jurnalis dan editor terkemuka Austria, dan Fanny Hess Landsteiner. Landsteiner dididik di Universitas Wina, di mana ia menerima gelar kedokterannya pada tahun 1891. Sementara di sekolah kedokteran, Landsteiner memulai pekerjaan eksperimental di bidang kimia, karena ia sangat terinspirasi oleh Ernst Ludwig, salah satu profesornya. Setelah menerima gelar kedokterannya, Landsteiner menghabiskan lima tahun berikutnya melakukan penelitian lanjutan dalam kimia organik untuk Emil Fischer, meskipun kedokteran tetap menjadi minat utamanya. Selama 1886-1897, ia menggabungkan minat ini di Institut Kebersihan di Universitas Wina di mana ia meneliti imunologi dan serologi. Imunologi dan serologi kemudian menjadi fokus seumur hidup Landsteiner. Landsteiner terutama tertarik pada kurangnya keamanan dan efektivitas transfusi darah. Sebelum pekerjaannya, transfusi darah berbahaya dan kurang dimanfaatkan karena darah donor sering menggumpal pada pasien. Landsteiner tertarik dengan fakta bahwa ketika darah dari subjek yang berbeda dicampur, darah tidak selalu menggumpal. Dia percaya ada kesamaan biokimia intrinsik dan perbedaan dalam darah.

Dengan menggunakan sampel darah dari rekan-rekannya, dia memisahkan sel darah dari serumnya, dan melarutkan sel darah merah dalam larutan garam. Dia kemudian mencampur serum masing-masing individu dengan sampel grom setiap suspensi sel. Pembekuan terjadi di beberapa perawatan; di lain tidak ada pembekuan. Landsteiner menetapkan bahwa manusia dapat dipisahkan ke dalam golongan darah sesuai dengan kapasitas sel darah merah mereka untuk membeku dengan adanya serum yang berbeda. Dia menamai kelompok klasifikasi darahnya A, B, dan O. Kelompok keempat AB, ditemukan pada tahun berikutnya. Hasil dari pekerjaan ini adalah pasien dan pendonor dapat melakukan golongan darah terlebih dahulu, menjadikan transfusi darah sebagai praktik medis yang aman dan rutin. Penemuan ini akhirnya membuat Landsteiner mendapatkan Hadiah Nobel tahun 1930 dalam bidang fisiologi atau kedokteran.

Penelitian transfusi darah tidak bergerak maju sampai para ilmuwan mengembangkan pemahaman yang lebih baik tentang peran darah dan isu-isu seputar fungsinya dalam tubuh. Selama Perang Dunia I, larutan gum-saline yang mengandung asam galactoso-gluconic digunakan untuk memperluas plasma. Jika konsentrasi, pH, dan suhu disesuaikan, bahan ini dapat dirancang agar sesuai dengan kekentalan darah utuh, memungkinkan dokter menggunakan lebih sedikit plasma. Pada 1920-an, penelitian menunjukkan bahwa larutan gusi ini memiliki beberapa efek kesehatan yang negatif. Pada tahun 1930-an, penggunaan bahan ini telah berkurang secara signifikan. Perang Dunia II menghidupkan kembali minat dalam penelitian darah dan pengganti darah. Plasma yang disumbangkan dari manusia biasanya digunakan untuk menggantikan darah dan menyelamatkan tentara dari syok hemoragik. Akhirnya, ini mengarah pada pendirian bank darah oleh Palang Merah Amerika pada tahun 1947.

Pada tahun 1966, percobaan dengan tikus menyarankan jenis baru pengganti darah, perfluorochemicals (PFC). Ini adalah polimer rantai panjang yang mirip dengan Teflon. Ditemukan bahwa tikus dapat bertahan hidup bahkan setelah direndam dalam PFC. Ini memberi para ilmuwan ide untuk menggunakan PFC sebagai pengencer darah. Pada tahun 1968, ide tersebut diujicobakan pada tikus. Darah tikus dihilangkan seluruhnya dan diganti dengan emulsi PFC. Hewan-hewan itu hidup selama beberapa jam dan pulih sepenuhnya setelah darah mereka diganti.

Namun, sistem bank darah yang mapan bekerja dengan baik, penelitian tentang pengganti darah berkurang. Ia menerima minat baru ketika kekurangan sistem bank darah ditemukan selama konflik Vietnam. Hal ini mendorong beberapa peneliti untuk mulai mencari solusi hemoglobin dan pembawa oksigen sintetis lainnya. Penelitian di bidang ini lebih lanjut didorong pada tahun 1986 ketika ditemukan bahwa HIV dan hepatitis dapat ditularkan melalui transfusi darah.

Desain

Produk darah buatan yang ideal memiliki karakteristik sebagai berikut. Pertama, harus aman digunakan dan cocok di dalam tubuh manusia. Ini berarti bahwa golongan darah yang berbeda seharusnya tidak menjadi masalah ketika darah buatan digunakan. Ini juga berarti bahwa darah buatan dapat diproses untuk menghilangkan semua agen penyebab penyakit seperti virus dan mikroorganisme. Kedua, ia harus mampu mengangkut oksigen ke seluruh tubuh dan melepaskannya di tempat yang dibutuhkan. Ketiga, harus stabil di rak. Tidak seperti darah yang disumbangkan, darah buatan dapat disimpan selama lebih dari satu tahun atau lebih. Ini berbeda dengan darah alami yang hanya bisa disimpan selama satu bulan sebelum rusak. Ada dua produk yang sangat berbeda yang sedang dikembangkan sebagai pengganti darah. Mereka berbeda terutama dalam cara mereka membawa oksigen. Satu didasarkan pada PFC, sementara yang lain adalah produk berbasis hemoglobin.

Perfluorokarbon (PFC)

Seperti yang disarankan, PFC adalah bahan inert biologis yang dapat melarutkan oksigen sekitar 50 kali lebih banyak daripada plasma darah. Mereka relatif murah untuk diproduksi dan dapat dibuat tanpa bahan biologis apa pun. Ini menghilangkan kemungkinan nyata penyebaran penyakit menular melalui transfusi darah. Dari sudut pandang teknologi, mereka memiliki dua rintangan penting yang harus diatasi sebelum dapat digunakan sebagai darah buatan. Pertama, mereka tidak larut dalam air, yang berarti untuk membuatnya bekerja mereka harus dikombinasikan dengan pengemulsi—senyawa lemak yang disebut lipid yang mampu menahan partikel kecil perfluorokimia dalam darah. Kedua, mereka memiliki kemampuan untuk membawa oksigen jauh lebih sedikit daripada produk berbasis hemoglobin. Ini berarti bahwa lebih banyak PFC yang harus digunakan. Salah satu produk jenis ini telah disetujui untuk digunakan oleh Federal Drug Administration (FDA), tetapi belum berhasil secara komersial karena jumlah yang dibutuhkan untuk memberikan manfaat terlalu tinggi. Emulsi PFC yang ditingkatkan sedang dikembangkan tetapi belum mencapai pasar.

Produk berbasis hemoglobin

Hemoglobin membawa oksigen dari paru-paru ke jaringan lain di dalam tubuh. Darah buatan berdasarkan hemoglobin memanfaatkan fungsi alami ini. Tidak seperti produk PFC di mana pelarutan adalah mekanisme kuncinya, oksigen terikat secara kovalen dengan hemoglobin. Produk hemoglobin ini berbeda dari darah utuh karena tidak terkandung dalam membran sehingga masalah golongan darah dihilangkan. Namun, hemoglobin mentah tidak dapat digunakan karena akan terurai menjadi senyawa beracun yang lebih kecil di dalam tubuh. Ada juga masalah dengan stabilitas hemoglobin dalam larutan. Tantangan dalam menciptakan darah buatan berbasis hemoglobin adalah memodifikasi molekul hemoglobin sehingga masalah ini teratasi. Berbagai strategi digunakan untuk menstabilkan hemoglobin. Ini melibatkan baik secara kimia Darah buatan dapat diproduksi dengan berbagai cara menggunakan produksi sintetis, isolasi kimia, atau teknologi biokimia rekombinan. Produk berbasis hemoglobin sintetis diproduksi dari hemoglobin yang diambil dari E. coli strain bakteri. Hemoglobin ditanam dalam tangki benih dan kemudian difermentasi. molekul pengikat silang atau menggunakan teknologi DNA rekombinan untuk menghasilkan protein yang dimodifikasi. Hemoglobin yang dimodifikasi ini stabil dan larut dalam larutan. Secara teoritis, modifikasi ini harus menghasilkan produk yang memiliki kemampuan lebih besar untuk membawa oksigen daripada sel darah merah kita sendiri. Diharapkan bahwa yang pertama dari produk ini akan tersedia dalam satu sampai dua tahun.

Bahan Baku

Tergantung pada jenis darah buatan yang dibuat, berbagai bahan baku digunakan. Produk berbasis hemoglobin dapat menggunakan hemoglobin yang diisolasi atau hemoglobin yang diproduksi secara sintetis.

Untuk memproduksi hemoglobin secara sintetis, produsen menggunakan senyawa yang dikenal sebagai asam amino. Ini adalah bahan kimia yang digunakan tumbuhan dan hewan untuk membuat protein yang penting bagi kehidupan. Ada 20 asam amino alami yang dapat digunakan untuk memproduksi hemoglobin. Semua molekul asam amino memiliki karakteristik kimia tertentu. Mereka terdiri dari gugus amino, gugus karboksil, dan rantai samping. Sifat rantai samping membedakan berbagai asam amino. Sintesis hemoglobin juga membutuhkan jenis bakteri tertentu dan semua bahan yang dibutuhkan untuk menetaskannya. Ini termasuk air hangat, molase, glukosa, asam asetat, alkohol, urea, dan amonia cair.

Untuk jenis lain dari produk darah buatan berbasis hemoglobin, hemoglobin diisolasi dari darah manusia. Biasanya diperoleh dari darah yang disumbangkan yang telah kedaluwarsa sebelum digunakan. Sumber hemoglobin lainnya berasal dari darah hewan bekas. Hemoglobin ini sedikit berbeda dengan hemoglobin manusia dan harus dimodifikasi sebelum digunakan.

Manufaktur
Proses

Produksi darah buatan dapat dilakukan dengan berbagai cara. Untuk produk berbasis hemoglobin, ini melibatkan isolasi atau sintesis hemoglobin, modifikasi molekuler kemudian rekonstitusi dalam formula darah buatan. Produk PFC melibatkan reaksi polimerisasi. Sebuah metode untuk produksi produk berbasis hemoglobin sintetis diuraikan di bawah ini.

Sintesis hemoglobin

• 1 Untuk mendapatkan hemoglobin, strain E. coli digunakan bakteri yang memiliki kemampuan memproduksi hemoglobin manusia. Selama sekitar tiga hari, protein dipanen dan bakteri dihancurkan. Untuk memulai proses fermentasi, sampel kultur bakteri murni dipindahkan ke tabung reaksi yang berisi semua nutrisi yang diperlukan untuk pertumbuhan. Inokulasi awal ini menyebabkan bakteri berkembang biak. Ketika populasinya cukup besar, mereka dipindahkan ke tangki benih.
• 2 Tangki benih adalah ketel baja tahan karat besar yang menyediakan lingkungan ideal untuk pertumbuhan bakteri. Itu diisi dengan air hangat, makanan, dan sumber amonia yang semuanya diperlukan untuk produksi hemoglobin. Faktor pertumbuhan lain seperti vitamin, asam amino, dan nutrisi minor juga ditambahkan. Larutan bakteri di dalam tangki benih terus-menerus dimandikan dengan udara bertekanan dan dicampur agar tetap bergerak. Ketika cukup waktu telah berlalu, isi tangki benih dipompa ke tangki fermentasi.
• 3 Tangki fermentasi adalah versi yang lebih besar dari tangki benih. Itu juga diisi dengan media pertumbuhan yang dibutuhkan bakteri untuk tumbuh dan menghasilkan hemoglobin. Karena kontrol pH sangat penting untuk pertumbuhan yang optimal, air amonia ditambahkan ke tangki seperlunya. Ketika hemoglobin yang cukup telah diproduksi, tangki dikosongkan sehingga isolasi dapat dimulai.
• 4 Isolasi dimulai dengan pemisah sentrifugal yang mengisolasi sebagian besar hemoglobin. Ini dapat lebih lanjut dipisahkan dan dimurnikan menggunakan distilasi fraksional. Standar ini Setelah difermentasi, hemoglobin dimurnikan dan kemudian dicampur dengan air dan elektrolit lain untuk membuat darah buatan yang dapat digunakan. metode pemisahan kolom didasarkan pada prinsip mendidihkan cairan untuk memisahkan satu atau lebih komponen dan menggunakan struktur vertikal yang disebut kolom fraksionasi. Dari kolom ini, hemoglobin dipindahkan ke tangki pemrosesan akhir.

Pemrosesan akhir

• 5 Di sini, dicampur dengan air dan elektrolit lain untuk menghasilkan darah buatan. Darah buatan kemudian dapat dipasteurisasi dan dimasukkan ke dalam kemasan yang sesuai. Kualitas senyawa diperiksa secara teratur selama seluruh proses. Yang sangat penting adalah pemeriksaan yang sering dilakukan pada kultur bakteri. Juga, berbagai sifat fisik dan kimia dari produk jadi diperiksa seperti pH, titik leleh, kadar air, dll. Metode produksi ini telah terbukti mampu menghasilkan batch sebesar 2.640 gal (10.000 L).

Masa Depan

Saat ini, ada beberapa perusahaan yang sedang mengerjakan produksi pengganti darah buatan yang aman dan efektif. Berbagai pengganti darah semuanya menderita keterbatasan tertentu. Misalnya, sebagian besar produk berbasis hemoglobin bertahan tidak lebih dari 20-30 jam di dalam tubuh. Ini dibandingkan dengan transfusi darah utuh yang berlangsung selama 34 hari. Juga, pengganti darah ini tidak meniru kemampuan darah untuk melawan penyakit dan pembekuan. Akibatnya, teknologi darah buatan saat ini akan terbatas pada aplikasi penggantian darah jangka pendek. Ke depan, diperkirakan akan ditemukan bahan baru untuk membawa oksigen ke dalam tubuh. Selain itu, produk yang lebih tahan lama harus dikembangkan, serta produk yang melakukan fungsi darah lainnya.