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Blutfarbstoff als Kunstblut

Wie weit ist Blutersatz auf Hämoglobin-Basis?

Eine ganze Reihe von Versuchen zu künstlichem Blut basieren auf dem Blutfarbstoff Hämoglobin – trotz seiner toxischen Effekte. Um das Sauerstofftransport-Molekül sicher außerhalb der roten Blutkörperchen einsetzen zu können, verfolgen Wissenschaftler zwei Strategien: das Hämoglobin zu polymerisieren oder es in einer künstlichen Hülle zu verpacken.

Hämoglobin
Das Hämoglobinmolekül besteht aus vier Untereinheiten mit je einer Häm-Gruppe. Aber pures Hämoglobin ist giftig und organschädigend. © Zephyris / Wikimedia CC-by-sa 3.0

Variante 1: Weniger giftig durch Vernetzung

Die erste Sorte von hämoglobinbasierten Blutersatz-Präparaten beruht auf einer chemischen Vernetzung der Hämoglobin-Moleküle. Durch diese Polymerisation entstehen Makromoleküle, die zwar noch immer weit kleiner und instabiler sind als ein rotes Blutkörperchen. Die Vernetzung senkt aber die toxische Wirkung des puren Hämoglobins, weil die Moleküle nicht mehr so unkontrolliert in Gewebe und Organe eindringen können. Das verringert die Nebenwirkungen – so die Hoffnung.

Allerdings haben sich Kunstblut-Kandidaten nach diesem Ansatz bislang als nur bedingt erfolgreich erwiesen. Das vom Northfield Forschungslabor im Chicago entwickelte Präparat „PolyHeme“ wurde Anfang der 2000er Jahre in einer klinischen Studie der Phase 3 getestet. Weil aber zu viele Patienten erhöhten Blutdruck, Entzündungen und Organschäden bekamen, lehnte die US-Arzneimittelbehörde FDA eine Zulassung im Jahr 2009 ab.

Zwei Kandidaten mit bedingtem Erfolg

Das einzige bislang zur Behandlung von Menschen zugelassene Hämoglobin-Kunstblut besteht aus polymerisiertem Rinder-Blutfarbstoff. Seit 2001 darf Hemopure in Südafrika bei Operationen eingesetzt werden, wenn kein Spenderblut zur Verfügung steht oder eine Bluttransfusion aus anderen Gründen nicht möglich ist. Hauptgrund für die Zulassung war allerdings die pure Not: Im südlichen Afrika sind Blutkonserven und Blutspenden wegen der vielen HIV-Fälle oft mit Aids-Viren verseucht und daher unbrauchbar. In anderen Ländern ist dieses Kunstblut aber nicht zugelassen.

In der Tiermedizin ist ein ebenfalls aus Rinder-Hämoglobin erzeugter Blutersatz in Gebrauch. Das Oxyglobin darf in den USA und der EU unter anderem zur Behandlung von Hunden mit starker Anämie eingesetzt werden. Allerdings darf dieses Kunstblut jedem Hund nur einmal verabreicht werden – sonst sind auch dabei zu starke Nebenwirkungen zu befürchten. Insgesamt aber werden Kunstblut-Kandidaten auf Basis chemisch vernetzten Hämoglobins inzwischen eher kritisch bewertet, die Rate der Nebenwirkungen und Todesfälle ist zu hoch.

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Variante 2: Schutz durch künstliche Hülle

Vielversprechender könnte dagegen eine neuere Form hämoglobinbasierten Kunstbluts sein. Bei diesen versuchen Wissenschaftler, das Hämoglobin in einer künstlichen Hülle zu verpacken. Im Prinzip konstruieren sie damit ein künstliches Rotes Blutkörperchen. Wie dieses soll die Hülle die toxische Wirkung des Hämoglobins hemmen und das Molekül stabilisieren, ohne die Sauerstoffbindung des Blutfarbstoffs zu behindern.

Einer dieser Kandidaten ist „Erythromer“, ein von Forschern um Dipanjan Pan und Allan Doctor von der University of Maryland entwickelter Blutersatz. Für diesen wird Hämoglobin aus abgelaufenem Spenderblut isoliert und in einer Nanopartikel-Hülle aus einem synthetischen Polymer verstaut. Das Ergebnis ist ein bagelförmiges Gebilde von etwa einem Fünftel der Größe eines roten Blutkörperchens. Dieses kann gefriergetrocknet und dann monatelang bei Raumtemperatur aufbewahrt werden – gegenüber Spenderblut ein erheblicher Vorteil. Zudem ist es bei allen Blutgruppen einsetzbar.

Im Gegensatz zu bloß vernetzten Hämoglobin-Präparaten reagiert die Polymerhülle des Erythromers auf den pH-Wert der Umgebung und reguliert so, wie leicht dieses Kunstblut Sauerstoff aufnimmt: In der Lunge ist die Sauerstoffaffinität hoch, in den Körpergeweben dagegen gibt es den Sauerstoff leicht wieder ab. Noch allerdings ist dieser Blutersatz nur bei Mäusen, Ratten und Kaninchen getestet. Bis zu einer ersten klinischen Studie am Menschen wird es daher noch einig Zeit dauern – wenn es überhaupt dazu kommt.

synthetische BLutzelle
Elektronenmikroskop-Aufnahme eines synthetischen Roten Blutkörperchens. © ACS Nano 2020/ doi: 10.1021/acsnano.9b08714

Ein künstliches rotes Blutkörperchen

Ebenfalls noch im Frühstadium sind Nachbauten roter Blutkörperchen, die Forscher um Jimin Guo von der University of New Mexico entwickelt haben. Für diese nutzten sie einen Silikatabdruck echter Blutkörperchen als Schablone, an den sie innen eine mehrlagige Schicht verschiedener Polymere anlagerten. Dann wurde das Silikatgerüst entfernt und die Oberfläche dieser Polymerzellen mit der echten Zellmembran eines Blutkörperchens überzogen.

Das Ergebnis sind künstliche Blutkörperchen, die ihren Vorbildern in puncto Größe, konkaver Form, Verformbarkeit und Zirkulationszeit im Körper sehr nahe kommen, wie erste Tests mit Hühnerküken und Mäusen ergaben. Wie die roten Blutkörperchen können diese Kunstblutzellen zudem mit Hämoglobin beladen werden und so zum Sauerstofftransport dienen. „Neben dem Sauerstofftransport können sie aber auch als Arzneimittelfähren dienen, Giftstoffe im Körper anzeigen oder magnetisch kontrolliert werden“, erklären Guo und seine Kollegen. Allerdings sind klinische Tests mit Menschen auch hier noch weit entfernt.

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Auf der Suche nach künstlichem Blut
Warum Spenderblut so schwer zu ersetzen ist

Elixier des Lebens
Knappes Blut und tödliche Transfusionen

Hämoglobin
Ein Wundermolekül mit Schattenseiten

Blutfarbstoff als Kunstblut
Wie weit ist Blutersatz auf Hämoglobin-Basis?

Blutersatz ganz ohne Hämoglobin
Sauerstofftransport mit Perfluorcarbonen

Aus A positiv mach' Null negativ
Durch Umwandlung zum universellen Spenderblut

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