Over de hele wereld worden jaarlijks meer dan 112, 5 miljoen bloeddonaties ingezameld, maar de meeste van deze bijdragen zijn onbruikbaar voor sommige patiënten die het het meest nodig hebben.
gerelateerde inhoud
- Een robot kan ooit je bloed trekken
- De allereerste bloedbank is vandaag 80 jaar geleden geopend
Bloedtransfusies moeten overeenkomen met het bloedtype van een donor en dat van de ontvanger; anders kan het immuunsysteem van de ontvanger het vreemde bloed aanvallen en ernstige ziekte veroorzaken. Vandaag rapporteren wetenschappers op de 256e National Meeting & Exposition of the American Chemical Society veelbelovende nieuwe stappen om dit systeem te hacken, met behulp van bacteriële enzymen die zijn afgeleid van het darmmicrobioom om beperkende bloedgroepen om te zetten in meer universeel bloed.
Er zijn vier hoofdsoorten bloed: AB-, A-, B- en O-bloed, te onderscheiden door de suikers die rode bloedcellen op hun oppervlak dragen, antigenen genoemd.
AB is de egoïstische hoarder van de groep, die zowel A-antigeen als B-antigeen draagt. Met al zijn bling, kan AB-bloed alleen worden getransfuseerd in anderen met de AB-bloedgroep - maar mensen met AB-bloed zijn universele ontvangers. A- en B-bloedgroepen dragen respectievelijk slechts een van de twee antigenen en mensen met deze bloedgroepen kunnen alleen bloed ontvangen dat de andere suiker niet bevat.
O bloed, daarentegen, is de naakte martelaar die de suikers mist die zijn broeders versieren. De relatief onvruchtbare staat maakt het een vriendelijke aanwezigheid in bijna alle immuunomgevingen, en O-type bloed - de universele donor van het stel - is voortdurend in trek.
Om aan de onevenredige behoefte aan universeel bloed te voldoen, zijn banken en donatiecentra voortdurend op zoek naar deze gewenste donoren. Maar hoewel ongeveer 40 procent van de bevolking van het type O is, lijken aandelen altijd tekort te schieten, deels omdat opgeslagen bloed een relatief korte houdbaarheid heeft. In de afgelopen jaren zijn wetenschappers begonnen met experimenteren met het genereren van type O in het laboratorium - hetzij door rode bloedcellen helemaal opnieuw te synthetiseren of door de aanstootgevende suikers van AB-, A- en B-bloed af te knippen.
Vorig jaar heeft een groep onderzoekers onder leiding van Jan Frayne enorme vooruitgang geboekt met de vorige strategie, een lijn van voorlopers van rode bloedcellen infecteren met kankergenen om hen uit te lokken zich ad infinitum aan te vullen. Deze techniek is echter verre van de kliniek binnen te gaan - de synthetische cellen moeten nog volledig worden doorgelicht voor de veiligheid, en de kosten voor het vullen van slechts één bloedzak met deze analogen blijven astronomisch.
Aan de andere kant is het omzetten van bloedgroepen al tientallen jaren bezig. Deze strategie is vooral aantrekkelijk omdat het meer universeel bloed kan creëren en tegelijkertijd voorkomt dat moeilijker te gebruiken donaties verloren gaan.
In 1982 nam een groep onderzoekers de eerste veelbelovende stappen in het kunstmatig omzetten van bloedgroepen. Met behulp van een enzym dat is geïsoleerd uit niet-geroosterde groene koffiebonen, hebben ze B-antigenen van rode bloedcellen afgeknipt, waardoor effectief type O-bloed werd gevormd dat in menselijke patiënten kon worden getransfundeerd. Maar het koffie-enzym had zijn nadelen. Ten eerste was het kieskeurig en vereiste het een zeer specifieke set voorwaarden - wat betekende dat het bloed door de beltoon moest worden gehaald voordat het kon worden gebruikt. Zelfs toen de experimentele opstelling precies zo was, was het enzym traag en inefficiënt en moesten de onderzoekers met klodders ervan een effect zien.
Toch heeft de ontdekking van het koffie-enzym aan de rest van de wereld gesignaleerd dat bloedomzetting mogelijk was - en, nog belangrijker, dat de noodzakelijke hulpmiddelen waarschijnlijk al in de natuur bestonden.
Tegen het begin van de jaren 2000 begon een waardering voor de enorme diversiteit van enzymen in het bacteriële koninkrijk te ontstaan, en onderzoekers begonnen zich tot microben te wenden voor hun behoeften aan het snijden van suiker. In 2007 meldden onderzoekers de ontdekking van twee bacteriële enzymen die, in combinatie, zowel A- als B-suikers van bloedcellen konden afhakken. Het enzym dat B-antigenen van bloed afschudde, was duizend keer efficiënter dan het koffie-enzym van 35 jaar eerder. Maar het enzym dat gericht was op A-antigeen produceerde iets meer ontnuchterende resultaten, waardoor een te hoge dosis enzym nodig was om praktisch te zijn.
Verschillende teams van onderzoekers hebben sindsdien geprobeerd de kracht van microben te benutten om bloed "ongezoet" te maken. Maar een paar jaar geleden besloten Peter Rahfeld en Stephen Withers, biochemici aan de Universiteit van British Columbia, om zich tot een nog onaangeboorde bron te wenden: de darmflora - de krioelende gemeenschap van ijverige microben die in de menselijke darm leven.
Het blijkt dat “darmmicroben professionals zijn in het afbreken van suikers”, aldus Katharine Ng, die het darmmicrobioom aan de Stanford University bestudeert, maar niet deelnam aan dit werk. Suikervetseiwitten langs de darmwand - en sommige van deze uitgebreide suikers lijken op dezelfde A- en B-antigenen die op bloedcellen worden aangetroffen. Bovendien oogsten veel darmmicroben deze suikers door ze van de darmwand te plukken.
“Ik was opgewonden toen ik dit ontdekte - [het betekende dat we misschien] microben konden gebruiken om nieuwe [tools] te vinden”, zegt Rahfeld. “Ze zitten allemaal al in onze ingewanden, wachtend op toegang. Er is zoveel potentieel. "
Tot dusverre is het grootste deel van de jacht op nieuwe bloedomzettende machines erin geslaagd om bekende bacteriële enzymen één voor één nauwgezet te testen. Veel leden van de darmflora kunnen nu in laboratoriumomgevingen worden gekweekt - maar niet allemaal. Om het volledige potentieel van de bacteriële enzymen in de darm te benutten, kozen Rahfeld en Withers een techniek met de naam metagenomica.
Bij metagenomics kunnen wetenschappers een gemeenschap van microben samenvoegen - zoals die in een fecale steekproef - en eenvoudig het DNA van binnenuit massaal bestuderen. Zelfs als de bacteriën niet goed buiten het menselijk lichaam overleven, is hun DNA veel moeilijker en kunnen onderzoekers nog steeds een idee krijgen van welke enzymen elke microbe in staat is om eruit te komen. “[Metagenomics] een manier om op een bepaald moment een momentopname te krijgen van al het DNA [in de menselijke darm], ” legt Rahfeld uit.
Na het isoleren van bacteriële genomen uit menselijke ontlasting, hebben Rahfeld en zijn collega's het DNA in kleine stukjes gebroken en in E. coli gestopt , een veel voorkomende bacteriestam die gemakkelijk kan worden gemanipuleerd om vreemde genen tot expressie te brengen, zoals die coderen voor enzymen. De onderzoekers testten ongeveer 20.000 verschillende fragmenten van genetisch materiaal tegen eenvoudige suikerproxy's die A- en B-antigenen nabootsen; kandidaten die deze eerste screeningronde hebben doorstaan, werden vervolgens blootgesteld aan meer gecompliceerde analogen die beter leken op menselijk bloed.
Uiteindelijk bleef het team achter met 11 mogelijke enzymen die actief waren tegen A-antigeen en één tegen B-antigeen - inclusief een buitengewoon veelbelovend enzym dat 30 keer effectiever was tegen A-antigeen dan het enzym dat in 2007 werd ontdekt. Bemoedigend, het nieuwe enzym was een onderhoudsarme medewerker, in staat om te presteren bij verschillende temperaturen en zoutconcentraties - wat betekent dat bloedcellen kunnen worden omgezet zonder concessies te doen aan additieven.
Toen de onderzoekers vervolgens hun krachtige nieuwe enzym testten tegen echt type A menselijk bloed, waren de resultaten hetzelfde - en slechts een kleine hoeveelheid van het eiwit was nodig om het bloed schoon te vegen van de aanstootgevende suikers. Bovendien waren de onderzoekers opgetogen dat ze hun nieuwe enzym, actief tegen bloed van type A, konden combineren met eerder ontdekte enzymen die B-antigenen afsnijden. Door tientallen jaren werk te consolideren, had het team nu de tools om AB-, A- en B-bloed efficiënt om te zetten in universeel geaccepteerde O.
"Het werkte prachtig", zegt Jay Kizhakkedathu, hoogleraar scheikunde aan het University of British Columbia's Center for Blood Research, die met Rahfeld en Withers samenwerkt aan hun studies.
De onderzoekers testen hun enzymen nu op grotere schaal. In de toekomst is Withers van plan om genetische hulpmiddelen te gebruiken om te sleutelen aan hun nieuwe enzym om zijn trimkracht verder te vergroten. Uiteindelijk hoopt het team dat dergelijke bloedconversietechnologie een steunpilaar kan zijn in ziekenhuizen, waar de behoefte aan O-type bloed altijd groot is.
Zelfs met zulke veelbelovende resultaten, zijn de tot dusver ontdekte bloedomzettende enzymen waarschijnlijk slechts het topje van de ijsberg, zegt Zuri Sullivan, een immunoloog aan de Yale University die niet aan het onderzoek heeft deelgenomen. Gezien de enorme diversiteit die wordt aangetroffen in de darmflora van verschillende individuen, kan het screenen van meer donoren en andere bacteriegemeenschappen nog spannendere resultaten opleveren.
"Het uitgangspunt hier is echt krachtig, " zegt Sullivan. "Er is een onaangeboorde genetische bron in de [genen] gecodeerd door het darmmicrobioom."
Natuurlijk blijft veiligheid in de toekomst van primair belang. Het aanpassen van menselijke cellen, zelfs met natuurlijke enzymen, is een lastige zaak. Tot nu toe, zo melden Rahfeld en Withers, was het tamelijk triviaal om de enzymen na de behandeling weg te wassen - maar de onderzoekers moeten er zeker van zijn dat alle sporen van hun enzym worden verwijderd voordat bloed kan worden getransfundeerd in een zieke patiënt.
Dat komt deels omdat suikerantigenen op talloze cellen in het lichaam voorkomen, legt Jemila Caplan Kester uit, een microbioloog aan het Massachusetts Institute of Technology. Hoewel het enzym in deze studie vrij nauwkeurig lijkt te zijn in het richten op A-antigenen op bloedcellen, is er altijd een kleine kans dat het wat schade kan aanrichten als een kleine hoeveelheid door de scheuren glijdt. Bovendien zou het immuunsysteem van de ontvanger ook kunnen reageren op deze bacteriële enzymen en ze interpreteren als signalen van een infectieuze aanval. Kizhakkedathu gelooft echter dat een dergelijk scenario waarschijnlijk onwaarschijnlijk is, omdat ons lichaam vermoedelijk al is blootgesteld aan deze enzymen in de darm.
"Zelfs met al deze overwegingen zijn er meer problemen die we misschien [niet kunnen voorzien] - we zullen ze zien wanneer we [het bloed in een echt lichaam] daadwerkelijk testen", zegt Kester. "Het menselijk lichaam vindt vaak manieren om [onze experimenten] niet te laten werken."
Bovendien gaat de wetenschap van bloedtypen veel verder dan alleen A- en B-antigenen. Een andere veel voorkomende mismatch treedt op wanneer Rh-antigeen wordt beschouwd. De aanwezigheid of afwezigheid van Rh maakt iemands bloedgroep respectievelijk "positief" of "negatief", en alleen negatief bloed kan zowel positieve als negatieve ontvangers bevatten.
Dit betekent dat, ondanks de kracht van het systeem van Rahfeld en Withers, het niet elke keer echt universeel bloed kan genereren. En omdat Rh-antigeen eigenlijk een proteïne is, geen suiker, zal een geheel andere set enzymen moeten worden onderzocht om de meest algemeen aanvaarde universele bloedgroep te creëren: O negatief.
Toch heeft de techniek van het team een enorm potentieel - en niet alleen voor de kliniek. Volgens Ng kan een beter begrip van deze bacteriële enzymen ook licht werpen op de complexe relatie tussen mensen en de microben die in ons lichaam leven. In werkelijkheid begrijpen wetenschappers nog steeds niet volledig het doel achter de aanwezigheid van deze antigenen op bloedcellen - veel minder op de binnenkant van onze darmen. Maar bacteriën zijn al duizenden jaren op de hoogte van deze kennis - en zijn geëvolueerd om ervan te profiteren, zegt Ng, en meer leren over deze microben zou vragen kunnen beantwoorden die mensen nog niet hadden gedacht te stellen.
In de tussentijd is Withers gewoon blij om vooruitgang in elke richting te zien. "Het is altijd verrassend als alles goed werkt, " reflecteert hij lachend. "Het geeft je hoop dat je echt een sprong voorwaarts hebt gemaakt."
