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Revista Brasileira de Anestesiologia

Print version ISSN 0034-7094

Rev. Bras. Anestesiol. vol.53 no.4 Campinas July/Aug. 2003

http://dx.doi.org/10.1590/S0034-70942003000400014 

ARTIGO DE REVISÃO

 

Substâncias carreadoras de oxigênio à base de hemoglobina: situação atual e perspectivas *

 

Hemoglobin-based blood substitutes: current status and perspectives

 

Substancias cargadoras de oxígeno a la base de hemoglobina: situación actual y perspectivas

 

 

Pedro Paulo Tanaka,TSAI; Maria Aparecida Almeida TanakaII

IProfessor Adjunto da Disciplina de Anestesiologia da UFPr. Co-responsável CET/SBA do HC da UFPr
IIAnestesiologista do HC da UFPr

Endereço para correspondência

 

 


RESUMO

JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS: Soluções alternativas à transfusão de sangue têm sido estudadas desde a década de 50. O objetivo deste estudo é apresentar a situação atual e as perspectivas futuras das substâncias carreadoras de oxigênio à base de hemoglobina.
CONTEÚDO: São apresentadas as potenciais áreas de aplicação, bem como estudos clínicos envolvendo as principais moléculas de hemoglobina desenvolvidas, suas vantagens e limitações.
CONCLUSÕES: Vários estudos aleatórios demonstraram eficácia com o propósito de evitar ou reduzir a transfusão sangüínea; entretanto, algumas limitações existem, sendo que o futuro substituto sangüíneo deverá, no mínimo, retratar a segurança e a eficácia do sangue em si.

Unitermos: SANGUE: carreadores artificiais de oxigênio


SUMMARY

BACKGROUND AND OBJECTIVES: Alternatives to red blood cells transfusion have been studied since the fifties. This study aimed at presenting current status and perspectives of hemoglobin-based blood substitutes.
CONTENTS: Potential application areas are presented, in addition to clinical studies involving major hemoglobin molecules developed, their advantages and limitations.
CONCLUSIONS: Several randomized trials have shown efficacy in avoiding or decreasing red blood cells transfusions, however there are some limitations and the future blood substitute shall at least have the same safety and efficacy of blood itself.

Key Words: BLOOD, artificial oxygen carriers


RESUMEN

JUSTIFICATIVA Y OBJETIVOS: Soluciones alternativas a la transfusión de sangre han sido estudiadas desde la década de 50. El objetivo de este estudio es presentar la situación actual y las perspectivas futuras de las substancias cargadoras de oxígeno a la base de hemoglobina.
CONTENIDO: Son presentadas las áreas potenciales de aplicación, bien como estudios clínicos envolviendo las principales moléculas de hemoglobina desarrolladas, sus ventajas y limitaciones.
CONCLUSIONES: Varios estudios aleatorios demostraron eficacia con el propósito de evitar o reducir la transfusión sanguínea; entretanto, algunas limitaciones existen, siendo que el futuro substituto sanguíneo deberá, en lo mínimo, retratar la seguridad y la eficacia de la sangre en si.


 

 

INTRODUÇÃO

A pesquisa por um substituto sangüíneo ideal foi motivada principalmente pelo desejo em atenuar os principais problemas relacionados com a transfusão sangüínea: a necessidade de prova cruzada, o tempo de armazenamento relativamente curto das células sangüíneas, e a transmissão de doenças infecciosas 1,2. Recentemente, Schreiber e col. 3, baseados em doadores sadios, analisaram o risco de transmissão de doenças. Incluíram no cálculo a possibilidade de doação durante a janela imunológica, onde os testes ainda são negativos, apresentando os seguintes resultados de risco por unidade de hemáceas transfundida:

  • HIV 1/493.000;
  • Hepatite B 1/63.000;
  • Hepatite C 1/103.000.

Embora o risco de transmissão de infecção seja baixo, este somente será nulo quando for possível esterilizar o sangue a ser transfundido. Outro problema da transfusão alogênica está relacionado com o fenômeno de imunomodulação 4. Como resultado, a incidência de infecções pós-operatórias é elevada nesta faixa de pacientes 5,6, bem como a recorrência de lesões tumorais 7,8.

Uma das preocupações em relação ao sangue provém do aumento da demanda em relação ao estoque. De acordo com projeções 9 para os Estados Unidos, no ano de 2030, mantendo-se constante o número de doações, haverá uma demanda superior a 4 milhões de unidades além das coletadas. Os principais fatores envolvidos são o envelhecimento da população e o aumento da expectativa de vida.

O desenvolvimento da ciência e biotecnologia em muito progrediu nestes últimos anos, entretanto ainda é incapaz de produzir o sangue artificial. Um dos motivos se deve ao fato de o sangue desempenhar importante papel em nosso organismo, tendo como principais funções 10: transporte de oxigênio, energia e neuromediadores, manutenção do volume vascular, imunidade e coagulação. Por estas razões, torna-se muito difícil a preparação de um agente substituto ideal com as mesmas propriedades.

 

CARREADOR IDEAL PARA O OXIGÊNIO

Duas estratégias para o desenvolvimento do carreador artificial de oxigênio foram consideradas 11. A primeira envolve as soluções carreadoras à base de hemoglobina, em que a molécula de oxigênio está ligada ao carreador. Na segunda, a molécula de oxigênio esta dissolvida na substância carreadora, representando o grupo dos perfluorocarbonos.

Características ideais para estas soluções 10:

  • Universal (sem incompatibilidade);
  • Isenta de desencadear alergia;
  • Sem riscos de transmissão de doenças (p. ex. Vírus);
  • Propriedades fisiológicas normais (p. ex. osmolaridade, viscosidade);
  • Sem outras atividades que não o transporte e liberação de oxigênio;
  • Longo tempo de permanência vascular;
  • Capacidade de armazenamento por tempo prolongado;
  • Estável a alterações de temperatura;
  • Custos reduzidos na produção;
  • Capacidade de produção em larga escala;

 

POTENCIAIS ÁREAS CLÍNICAS DE APLICAÇÃO

A maior parte dos estudos 12-14 com substitutos sangüíneos tem sido conduzidas em cirurgia cardiovascular, com o propósito primário de evitar a transfusão alogênica neste grupo de pacientes. O método visa à utilização da substância carreadora ou placebo (colóides) em combinação com doação autóloga per-operatória prévia à necessidade de transfusão sangüínea. Em outro método, o composto do estudo (ou placebo) é administrado somente quando os limites para transfusão são atingidos.

Várias aplicações 15-17, além da cirurgia cardíaca, têm sido descritas, entre elas a reposição e estabilização da volemia em pacientes politraumatizados; em cirurgia eletiva (ortopedia, oncologia) associada a hemodiluição normovolêmica ou como reposição volêmica per-operatória; ou em condições que necessitem do aumento do transporte de oxigênio, como na doença vascular periférica e na angioplastia.

 

SITUAÇÃO ATUAL

Carreadores de oxigênio à base de hemoglobina (COBH) Hemoglobin Based Oxygen Carriers utilizam como substrato 11 a molécula de hemoglobina obtida de unidades de sangue com data de validade expirada, do sangue bovino ou obtidas por meio da engenharia genética 18.

A molécula de hemoglobina 19 é composta de quatro subunidades: duas subunidades alfa e duas subunidades beta (Figura 1).

No interior do eritrócito (Figura 2) esta formação tetramérica da molécula de hemoglobina carreia oxigênio em sua forma conhecida como oxihemoglobina. Para liberar este oxigênio, a molécula sofre uma modificação geométrica com rotação de 15 graus, passando para o estado de deoxihemoglobina. Esta modificação estrutural é facilitada pela presença de um co-fator, o 2-3 difosfoglicerato, mesmo em altas pressões parciais de oxigênio nos tecidos.

A hemoglobina livre no plasma é decomposta de sua forma tetramérica em duas subunidades diméricas 11 (Figura 3). Estas subunidades deixam rapidamente a circulação, sendo eliminadas pelo rim. Savitsky e col. 20 demonstraram que a hemoglobina livre de estroma apresenta efeitos adversos em relação ao sistema renal (nefrotoxicidade) e cardiovascular (efeito vasomotor). A ausência do co-fator 2-3 DPG aumenta a afinidade da ligação entre a hemoglobina e o oxigênio, dificultando sua liberação para os tecidos. Estas foram algumas das razões pelas quais a hemoglobina livre deixou de ser utilizada como substituto sangüíneo.

Para evitar as inconveniências descritas com a hemoglobina livre, e com intuito de obter um substituto sangüíneo ideal, a molécula de hemoglobina foi modificada para prolongar seu tempo de meia vida intravascular, diminuir a eliminação renal, e manter a afinidade normal pelo oxigênio 11. As modificações apresentadas foram: ligação intramolecular, conjugação ou polimerização da molécula de hemoglobina 21.

Ligação Intramolecular da Hemoglobina

A estrutura tetramérica da hemoglobina é mantida por meio de uma ponte intramolecular através da ligação entre as cadeias alfa ou beta22 (Figura 4).

A diaspirina ligada à hemoglobina Diaspirin Cross-Linked Hemoglobin (DCLHb) é uma hemoglobina humana tetramérica com ligação entre as cadeias alfa. Em estudo 23 envolvendo 209 pacientes submetidos à cirurgia cardíaca, foi demonstrado que, embora os pacientes do grupo DCLHb apresentassem menor índice de transfusão nos primeiros 7 dias (19% vs 0%), não houve diferença significativa no número de unidades de sangue administrada. Os pacientes tratados com DCLHb apresentaram maior incidência de eventos adversos (elevados níveis de pressões sistêmicas e pulmonares, icterícia, aumento de enzimas hepáticas e pancreáticas, anemia e hematúria) que os do grupo controle, não havendo diferença em relação à mortalidade.

A solução de DCLHb foi comparada à infusão de solução fisiológica em volumes equivalentes durante a reanimação inicial em pacientes politraumatizados 24. Um percentual significativo de pacientes do grupo DCLHb (46%) foi a óbito até o 28º dia contra 17% do grupo que recebeu solução fisiológica. A principal causa foi relacionada ao aumento da pressão arterial no grupo tratado com DCLHb, fato corroborado por outros estudos 25,26, inclusive com aumento do consumo de oxigênio 27. O laboratório responsável pelo desenvolvimento do produto anunciou em setembro de 1998 o término das pesquisas clínicas envolvendo a DCLHb 28.

Hemoglobina Conjugada

A hemoglobina conjugada é formada por meio da ligação entre a hemoglobina livre e polímeros solúveis 19 (p. ex: dextran, polietileno glicol) (Figura 5).

A hemoglobina de origem bovina conjugada ao polietileno glicol (PEG) está sendo estudada na terapia do câncer com a finalidade de aumentar a oxigenação do tumor e com isto melhorar a eficácia da radiação e quimioterapia. Serna e col. 29 relataram que a PEG hemoglobina apresenta potencial para estudo como componente da solução de preservação do coração. Outros estudos 30-32 que envolvem modelo de ressuscitação após choque hemorrágico em animais revelaram as mesmas inconveniências descritas anteriormente com as outras soluções carreadoras à base de hemoglobina.

Polihemoglobinas

A criação de uma ligação covalente 33, formando uma ponte entre os dímeros da hemoglobina, auxiliou na prevenção ou retardo em sua dissociação. A polimerização da molécula de hemoglobina foi possível por meio da ligação glutaraldeído entre as moléculas de hemoglobina 19. A adição de um análogo do 2,3 DPG, o piridoxal fosfato, à molécula de hemoglobina aumentou a P50 favorecendo a liberação de oxigênio para os tecidos 34 (Figura 6).

Entre as polihemoglobinas, podem-se destacar:

  • Polihemoglobina pirodoxilada humana - PolyHeme®;
  • Polihemoglobina bovina - Hemopure®;
  • Polihemoglobina humana - Hemolink®.

Polihemoglobina Piridoxilada Humana

PolyHeme® é uma solução modificada da hemoglobina proveniente de sangue estocado. A hemoglobina é extraída do eritrócito e filtrada para remover as impurezas. A purificação é feita quimicamente através de um processo que visa criar a forma polimerizada da molécula, evitando com isto os efeitos indesejáveis da fração livre, entre eles a vasoconstrição e a disfunção renal. A hemoglobina modificada é então incorporada a uma solução para poder ser administrada como alternativa ao sangue. Uma unidade da solução contém 50 gramas de hemoglobina modificada, aproximadamente a mesma quantidade de uma unidade de concentrado de hemáceas 35.

Em estudo 36 que teve como objetivo comparar os benefícios terapêuticos do PolyHeme® em relação à transfusão alogênica, foram selecionados 44 pacientes, com idades que variavam entre 19 e 75 anos, vítimas de lesão traumática. Os pacientes receberam concentrado de hemáceas ou até 6 unidades de PolyHeme® para reposição sangüínea após o trauma ou durante a cirurgia de emergência. Os níveis de circulantes de hemoglobina, durante e após perda volêmica, foram mantidos com PolyHeme®, sendo sugerida sua utilização clínica como substituto sangüíneo nestas condições.

Os mediadores biológicos apresentam potencial para exacerbar a resposta inflamatória pós-trauma e a falência múltipla de órgãos. O volume de sangue transfundido foi postulado como um fator de risco independente 37. Diante deste fato, a infusão de até 20 unidades de PolyHeme® foi comparada ao sangue estocados em pacientes politraumatizados que necessitaram de transfusão 38. Como resultado, houve uma menor sensibilização dos neutrófilos no grupo que recebeu PolyHeme®, propiciando uma explicação para a menor incidência ou gravidade da síndrome da falência múltipla de órgãos.

A polihemoglobina piridoxilada humana após completar a Fase III dos estudos clínicos aguarda a aprovação pelo órgão regulamentar americano Federal Drug Administration (FDA), para comercialização como substituto sangüíneo em situações de perda volêmica aguda, principalmente no trauma.

Polihemoglobina Bovina

A hemoglobina polimerizada bovina 39 Polymerized Bovine Hemoglobin-Based Oxygen-Carrying (HBOC 201) é uma solução estéril purificada de eritrócito bovino. Cada unidade contém 30 gramas de hemoglobina polimerizada, equivalente a aproximadamente metade do conteúdo de hemoglobina de uma unidade de concentrado de hemáceas. Apresenta meia-vida circulante em torno de 9 a 24 horas, menor afinidade ao oxigênio (p50 = 34 mmHg), podendo ser armazenada em temperatura ambiente por até dois anos.

Uma das preocupações com o uso de um produto animal é a disseminação de doenças cuja forma de transmissão ainda é desconhecida. Epidemias recentes levantaram a suspeita de uma possível transmissão de agentes infecciosos por meio da ingestão de tecidos infectados (ou sangue) 40. A erradicação do rebanho bovino no Reino Unido, em 1996, foi realizada para prevenir o possível desenvolvimento da forma humana da encefalopatia espongiforme bovina. Entretanto, o laboratório responsável pela produção do Hemopure® afirma possuir métodos seguros de purificação 40.

A HBOC 201 - Hemopure® foi avaliada em pacientes submetidos à cirurgia cardíaca 14 e vascular 41. Nos pacientes submetidos à revascularização do miocárdio, a transfusão sangüínea foi evitada em 34% contra 0% no grupo controle. A quantidade de unidades transfundidas foi significativamente menor no grupo que recebeu HBOC. No grupo de pacientes vasculares, os resultados referentes ao número de unidades transfundidas foi semelhante. A segurança e os eventos adversos relatados sugerem menor efeito vasoconstritor e aumento dose-dependente nas concentrações de bilirrubina não conjugada.

Estudos 42-44 pré-clínicos envolvendo a ressuscitação hipovolêmica em modelo animal sugerem que o uso de Hemopure® restaura rapidamente a função cardiovascular, o que permite suficiente perfusão tissular e transporte de oxigênio.

Outros autores 45 relataram que o Hemopure® foi bem tolerado em doses de até 2,5 g.kg-1. O estudo envolveu 55 pacientes submetidos a diversos procedimentos cirúrgicos. A administração do HBOC-201 foi associada a um aumento dose dependente da concentração plasmática de metahemoglobina atingindo 7,1% nos pacientes que receberam a maior quantidade do produto. Entretanto, embora bem tolerado, não houve diferença no número de unidades de sangue autólogo administrado aos pacientes.

Jahr e col. 46 demonstraram em pacientes submetidos a cirurgias ortopédicas uma redução na transfusão em 59,4% no grupo Hemopure® 42 dias após a cirurgia. Este percentual alcançou 96,3% dos pacientes no dia da cirurgia. Estes resultados, segundo os autores, significam a efetividade do composto em eliminar a necessidade de transfusão em um grande percentual de pacientes submetidos à cirurgias ortopédicas.

A Biopure solicitou ao FDA autorização para a comercialização do Hemopure com a finalidade de tratamento de sinais e sintomas de anemia aguda em pacientes submetidos a cirurgias ortopédicas, bem como eliminar, postergar ou reduzir a necessidade de transfusão autóloga neste grupo de pacientes.

Polihemoglobina Humana

Hemolink® - é uma o-Rafinose ligada à hemoglobina humana proveniente de sangue com validade expirada. Apresenta meia-vida entre 14 e 20 horas, podendo ser armazenada a 4 ºC por aproximadamente um ano.

Em estudo 47 fase II, 60 pacientes submetidos à revascularização do miocárdio receberam Hemolink® (até 1000 ml) ou colóide associados à doação autóloga per-operatória. O efeito colateral mais freqüente foi o aumento da pressão arterial, sendo no conjunto bem tolerada. Houve redução significativa no número de pacientes que necessitaram de transfusão sangüínea no grupo Hemolink®, em relação ao grupo controle até o quinto dia de pós-operatório (10% vs 46,7%; p < 0,0034).

A fase III dos estudos 48 foi completada no Canadá e Reino Unido, onde 299 pacientes submetidos à cirurgia cardíaca receberam 750 ml do produto. Os resultados sugerem um perfil favorável em relação a segurança e eficácia. Hemolink® surge como uma importante alternativa à transfusão alogênica de sangue em razão da facilitação da doação autóloga per-operatória em cirurgias cardíacas 49. A aprovação clínica do produto foi solicitada no Canadá, ainda que dois estudos em cirurgia cardíaca (uso de altas doses em cirurgias primária e doses regulares em re-operações) estejam em andamento conjunto entre Estados Unidos e Reino Unido.

 

LIMITAÇÕES DAS SOLUÇÕES CARREADORES DE OXIGÊNIO

Algumas limitações em relação às soluções existentes ainda persistem, entre elas pode-se destacar:

  1. Auto-oxidação rápida e irreversível para metahemoglobina com nível máximo ocorrendo entre o segundo e terceiro dia pós infusão, podendo atingir até 30%. O efeito é geralmente passageiro, dependendo da eliminação pelo sistema reticuloendotelial 50;
  2. A meia-vida intravascular curta na maioria das soluções, não ultrapassando 24 horas;
  3. Efeito vasoconstritor - o óxido nítrico possui importante papel no controle do tônus vascular, promovendo vasodilatação e conseqüente redução da pressão arterial pelo relaxamento da musculatura lisa vascular 50. Alguns autores atribuem este efeito aos carreadores de oxigênio a base de hemoglobina por sua afinidade química ao óxido nítrico liberado pelo endotélio vascular 51 (Figura 7). A ligação do carreador do óxido nítrico aumenta a sensibilidade da endotelina, alterando a regulação dos receptores alfa-adrenérgicos;
    Stampler e col. 52 demonstraram o papel da molécula de hemoglobina no transporte e atividade do óxido nítrico (ON). A deoxihemoglobina no pulmão se ligaria ao oxigênio e a uma forma de ON, potencializando com isto sua oferta de oxigênio para os tecidos. A hemoglobina no interior do eritrócito teria função de transporte e disseminação do ON (Figura 8). Esta nova função sugerida, desde que confirmada por outros estudos, deverá repercutir no desenvolvimento de novas pesquisas com os substitutos sangüíneos.
  4. O radicais livres - A biodistribuição e o metabolismo dos COBH ainda não é bem conhecida. São depositados no sistema retículo endotelial do fígado, baço e outros tecidos. Uma vez armazenada, a hemoglobina sofre um processo com produção de radicais tóxicos 53.
    A falta de suprimento de oxigênio causa isquemia tissular, aumentando a produção de hipoxantina. Logo após a reperfusão, a xantina oxidase converte a hipoxantina em superóxidos, que por vários mecanismos resultam na formação de radicais livres de oxigênio, causando lesão tecidual. As enzimas eritrocitárias, através da conversão destes superóxidos em peróxido de hidrogênio, auxiliam na prevenção da lesão tecidual 54 (Figura 9). Para evitar estes problemas com os novos agentes, foram incorporadas substâncias com propriedades antioxidantes 57.

 

VANTAGENS DAS SOLUÇÕES CARREADORES DE OXIGÊNIO

Podem-se destacar: 1) virtualmente, não transmitirem doenças; 2) não há necessidade de prova cruzada por serem destituídas de antígenos; 3) apresentam um tempo de armazenamento prolongado; 4) possuem p50 próximo ao fisiológico; 5) possuem mínimo efeito na coagulação; 6) a menor viscosidade e tamanho molecular favorecem a distribuição de oxigênio na microcirculação.

 

CONCLUSÃO

Vários estudos aleatórios demonstraram eficácia com o propósito de evitar ou reduzir a transfusão sangüínea. Alguns problemas ainda permanecem, as soluções à base de hemoglobina possuem capacidade suficiente para carrear oxigênio; no entanto, estão limitadas por sua meia-vida curta e toxicidade. Novos estudos serão necessários para esclarecer o papel dos substitutos sangüíneos em situações clínicas como o trauma. O futuro substituto sangüíneo deverá, no mínimo, retratar a segurança e a eficácia do sangue em si.

 

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Endereço para correspondência
Dr. Pedro Paulo Tanaka
Rua Justiniano de Mello e Silva, 355
82530-150 Curitiba, PR
E-mail: tanaka@bsi.com.br

Apresentado em 10 de outubro de 2002
Aceito para publicação em 12 de dezembro de 2002

 

 

* Recebido do CET/SBA do Hospital de Clínicas da Universidade Federal do Paraná (HC UFPr), Curitiba, PR