Over 112, 5 millioner donasjoner av blod blir samlet inn hvert år over hele verden - men de fleste av disse bidragene er ubrukelige for noen av pasientene som er mest i nød.
Relatert innhold
- En robot kan en dag trekke blodet ditt
- Den første noensinne blodbanken åpnet 80 år siden i dag
Blodoverføringer må samsvare med blodtypen til en giver til mottakeren; Ellers kan mottakers immunsystem angripe det fremmede blodet og forårsake alvorlig sykdom. I dag rapporterer forskere på det 256. National Meeting & Exposition of the American Chemical Society om lovende nye skritt mot å hacke dette systemet, ved å bruke bakterielle enzymer avledet fra tarmen mikrobiom for å omdanne restriktive blodtyper til mer universelt blod.
Det er fire hovedtyper av blod: AB-, A-, B- og O-blod, preget av sukkeret som røde blodlegemer fører på overflaten, kalt antigener.
AB er den egoistiske hoarder for gruppen, som bærer både A-antigen og B-antigen. Med all sin bling kan AB-blod bare overføres til andre med AB-blodtypen - men mennesker som har AB-blod er universelle mottakere. A- og B-blodtyper har bare ett av de to antigenene, henholdsvis, og personer med disse blodtypene kan bare motta blod som ikke sporter det andre sukkeret.
O blod er derimot den nakne martyren som mangler sukkerertene som pynter brødrene sine. Den relativt karrige tilstanden gjør den til en vennlig tilstedeværelse i nesten alle immunmiljøer, og blod av O-type - gjengens universelle giver - er i konstant etterspørsel.
For å dekke det uforholdsmessige behovet for universelt blod, er banker og donasjonssentre hele tiden på jakt etter disse ønskelige giverne. Men selv om rundt 40 prosent av befolkningen er type O, ser bestandene alltid ut til å komme til kort, blant annet fordi lagret blod har en relativt kort holdbarhet. I løpet av de siste årene har forskere begynt å eksperimentere med å generere type O i laboratoriet - enten ved å syntetisere røde blodlegemer fra bunnen av, eller snippe det støtende sukkeret av AB-, A- og B-blod.
I fjor gjorde en gruppe forskere ledet av Jan Frayne enorme fremskritt med den tidligere strategien, og smittet en linje med røde blodcelleforløpere med kreftgener for å provosere dem til å fylle opp seg selv uendelig . Imidlertid er denne teknikken langt fra å komme inn på klinikken - de syntetiske cellene må ennå ikke være fullt utstyrt for sikkerhet, og kostnadene for å fylle bare en blodpose med disse analogene er fortsatt astronomiske.
På den annen side har konvertering av blodtyper vært et pågående arbeid i flere tiår. Denne strategien er spesielt tiltalende fordi den både kan skape mer universelt blod og samtidig forhindre at vanskeligere donasjoner kan brukes.
I 1982 tok en gruppe forskere de første lovende trinnene i kunstig konvertering av blodtyper. Ved å bruke et enzym isolert fra ubrente grønne kaffebønner, snippet de B-antigener av røde blodlegemer, og skapte effektivt type O-blod som kunne overføres til menneskelige pasienter. Men kaffe-enzymet hadde sine ulemper. For den ene var den fin, og krevde et veldig spesifikt sett med betingelser for å fungere - noe som innebar å føre blodet gjennom ringetonen før det kunne brukes. Selv når det eksperimentelle oppsettet bare var slik, var enzymet tregt og ineffektivt, og forskerne måtte bruke kløfter av det for å se en effekt.
Likevel signaliserte oppdagelsen av kaffe-enzymet til resten av verden at blodomdannelse var mulig - og enda viktigere, de nødvendige verktøyene som sannsynligvis allerede eksisterte i naturen.
På begynnelsen av 2000-tallet hadde en forståelse for det enorme mangfoldet av enzymer i bakterieriket begynt å dukke opp, og forskere begynte å henvende seg til mikrober for deres sukkeroppskåringsbehov. I 2007 rapporterte forskere om funnet av to bakterielle enzymer som i kombinasjon var i stand til å hacking både A- og B-sukker fra blodceller. Enzymet som klippet B-antigener fra blodet var tusen ganger mer effektivt enn kaffe-enzymet fra 35 år før. Men enzymet som målrettet mot et antigen ga litt mer nøkterne resultater, noe som krevde en for høy dose enzym for å være praktisk.
Flere team av forskere siden har forsøkt å utnytte kraften til mikrober for å “usøte” blod. Men for noen år siden bestemte Peter Rahfeld og Stephen Withers, biokjemikere ved University of British Columbia, seg for å henvende seg til en ennå uutnyttet ressurs: tarmen mikrobiota - det myldrende samfunnet av flittige mikrober som lever i den menneskelige tarmen.
Som det viser seg, "tarmmikrober er profesjonelle med å bryte ned sukker, " ifølge Katharine Ng, som studerer tarmmikrobiomet ved Stanford University, men ikke deltok i dette arbeidet. Sukker-snørrede proteiner linjer tarmens vegg - og noen av disse forseggjorte sukkeret ligner de samme A- og B-antigenene som finnes på blodceller. Dessuten høster mange tarmmikrober disse sukkerene ved å plukke dem av tarmfôret.
"Jeg var spent da jeg fant ut dette - [det betydde at vi kanskje kunne] bruke mikrober for å finne nye [verktøy], " sier Rahfeld. ”De er alle allerede inne i tarmen vår, bare venter på å få tilgang. Det er så mye potensiale. ”
Så langt har det meste av jakten på nye blodkonverteringsmaskiner involvert nøye testing av kjente bakterieenzymer en etter en. Mange medlemmer av tarmen mikrobiota kan nå dyrkes i laboratoriemiljøer - men ikke alle. For å fange det fulle potensialet til bakterieenzymene i tarmen, valgte Rahfeld og Withers en teknikk kalt metagenomikk.
Med metagenomikk kan forskere samle et samfunn av mikrober - som de som er i en fekal prøve - og bare studere DNAet i massevis . Selv om bakteriene ikke overlever godt utenfor menneskekroppen, er deres DNA langt hardere, og kan fortsatt gi forskere en følelse av hvilke enzymer hver mikrobe er i stand til å kaste ut. "[Metagenomics] en måte å få et øyeblikksbilde av alt DNA [i den menneskelige tarmen] på et tidspunkt, " forklarer Rahfeld.
Etter å ha isolert bakteriegener fra menneskelig avføring, brøt Rahfeld og kollegene DNAet i små biter og satte dem inn i E. coli, en vanlig bakteriestamme som lett kan manipuleres for å uttrykke fremmede gener, som de som koder for enzymer. Forskerne testet rundt 20 000 forskjellige fragmenter av genetisk materiale mot enkle sukkerproxy som etterligner A- og B-antigener; kandidater som passerte denne første screeningsrunden, ble deretter utsatt for mer kompliserte analoger som bedre lignet menneskelig blod.
Til slutt satt teamet med 11 mulige enzymer som var aktive mot A-antigen og en mot B-antigen - inkludert et ekstraordinært lovende enzym som var 30 ganger mer effektivt mot A-antigen enn det som ble oppdaget i 2007. Oppmuntrende, det nye enzymet var en lite vedlikeholdsarbeider, i stand til å prestere ved en rekke temperaturer og saltkonsentrasjoner - noe som betyr at blodlegemer kunne konverteres uten at det kompromitterer tilsetningsstoffer.
Da forskerne neste gang testet sitt kraftige nye enzym mot ekte menneskelig blod, var resultatene de samme - og bare en liten mengde protein var nødvendig for å tørke blodet rent av de krenkende sukkerene. I tillegg var forskerne begeistret for å finne ut at de kunne kombinere det nye enzymet, som er aktivt mot blod av type A, med tidligere oppdagede enzymer som smetter bort B-antigener. Ved å konsolidere tiår med arbeid, hadde teamet nå verktøyene for å effektivt konvertere AB, A og B-blod til universelt akseptert O.
"Det fungerte vakkert, " sier Jay Kizhakkedathu, professor i kjemi ved University of British Columbia Center for Blood Research, som samarbeider med Rahfeld og Withers om studiene.
Forskerne tester nå enzymene sine i større skala. I fremtiden planlegger Withers å bruke genetiske verktøy for å fikse med det nyvunne enzymet for å øke trimmekraften ytterligere. Etter hvert håper teamet slik blodkonverteringsteknologi kan være en bærebjelke på sykehus, der behovet for blod av O-type alltid er dypt.
Selv med så lovende resultater, er de blodkonverterende enzymer som er oppdaget hittil sannsynligvis bare toppen av isfjellet, sier Zuri Sullivan, en immunolog ved Yale University som ikke deltok i forskningen. Gitt det enorme mangfoldet som finnes i forskjellige individer 'tarmmikrobiomer, kunne screening av flere givere og andre bakteriesamfunn gi enda mer spennende resultater.
"Forutsetningen her er virkelig kraftig, " sier Sullivan. "Det er en uutnyttet genetisk ressurs i [genene] som er kodet av tarmmikrobiomet."
Selvfølgelig er sikkerheten fortsatt viktigst fremover. Å modifisere menneskelige celler, selv med naturlige enzymer, er en vanskelig virksomhet. Så langt, rapporterer Rahfeld og Withers, har det vært ganske trivielt å vaske enzymene vekk etter behandlingen - men forskerne må være sikre på at alle spor av deres enzym blir fjernet før blod kan overføres til en syk pasient.
Det er delvis fordi sukkerantigener vises på utallige celler i hele kroppen, forklarer Jemila Caplan Kester, en mikrobiolog ved Massachusetts Institute of Technology. Selv om enzymet i denne studien ser ut til å være ganske presist når det gjelder å målrette A-antigener på blodceller, er det alltid en liten sjanse for at det kan gjøre noen skader hvis en liten mengde skulle skli gjennom sprekkene. I tillegg kan mottakerens immunsystem også reagere på disse bakterieenzymene, og tolke dem som signaler om et smittsomt angrep. Kizhakkedathu mener imidlertid et slikt scenario sannsynligvis er lite sannsynlig, siden kroppene våre visstnok allerede er utsatt for disse enzymene i tarmen.
"Selv med alle disse hensynene, er det flere problemer vi kanskje [ikke kan forutse] - vi ser dem når vi faktisk tester [blodet i en ekte kropp], " sier Kester. "Menneskekroppen finner ofte måter å gjøre at [eksperimentene våre] ikke fungerer."
I tillegg går vitenskapen om blodtype langt utover bare A- og B-antigener. En annen vanlig misforståelse oppstår når Rh-antigen vurderes. Tilstedeværelsen eller fraværet av Rh er det som gjør noens blodtype henholdsvis “positiv” eller “negativ” - og bare negativt blod kan gå til både positive og negative mottakere.
Dette betyr at det, til tross for kraften i Rahfeld og Withers 'system, ikke kan generere virkelig universelt blod hver gang. Og fordi Rh-antigen faktisk er et protein, ikke et sukker, vil et helt annet sett med enzymer måtte utforskes for å skape den mest aksepterte universelle blodtypen: O-negativ.
Likevel har teamets teknikk et enormt potensial - og ikke bare for klinikken. I følge Ng kan en bedre forståelse av disse bakterieenzymene også belyse det komplekse forholdet mellom mennesker og mikrober som lever i kroppene våre. I sannhet forstår forskere fortsatt ikke helt formålet bak tilstedeværelsen av disse antigenene på blodceller - mye mindre på slimhinnen i tarmene våre. Men bakterier har vært kjent med denne kunnskapen i årtusener - og har utviklet seg for å dra nytte av dem, sier Ng, og å lære mer om disse mikrober kan svare på spørsmål mennesker ennå ikke har tenkt å stille.
I mellomtiden er Withers ganske enkelt fornøyd med å se fremgang i alle retninger. "Det er alltid overraskende når ting fungerer bra, " reflekterer han med en latter. "Det gir deg håp om at du har gjort et skikkelig sprang fremover."
