Blood substitutes with gas transport function: hope and realities

L.V. Usenko, A.V. Tsarev


The work deals with the current state of the problem of creation and clinical use of blood substitutes with gas transport function. Blood shortage is an important healthcare problem globally anticipated to become more problematic as people live longer and donor numbers reduces. So, there is a need for an alternative red cell product. The technological directions for the development of blood substitutes with gas transport function are described. The analysis of conducted researches of blood substitutes on the basis of modified hemoglobin, perfluorocarbons, as well as the use of molecular, cellular and nanotechnologies was carried out. The term “blood substitute” does not accurately describe the current candidate products because they typically have only two limited functions: carrying and delivering oxygen and augmenting blood volume. Although no single product can yet imitate all the properties of the blood, substantial progress has been made, especially in the development of hemoglobin based oxygen carriers. The perfluorocarbons are synthetic cyclic or linear hydrocarbons occasionally containing oxygen or nitrogen atoms, and the hydrogen atoms are replaced by fluorine atoms in them. They easily solubilize and release gases without interacting with them. The quantity of gas dissolved is linearly related to its partial pressure. The article presents the results of experimental study and clinical use (1984–2010) of perftorane in acute hemorrhage and hemorrhagic shock, traumatic brain injury, postresuscitation disease, acute myocardial infarction, septic shock, acute poisoning, fat embolism, as a component of cardioplegia under cardiosurgical interventions, vascular surgery and transplantology. Potential advantages of the use of blood substitutes with gas transport function as compared to allogeneic blood are demonstrated. The current state of the problem of creating and studying blood substitutes with gas transport function allows us to conclude that at present this group of drugs remains a potential that has not yet been realized, since they are not literally blood substitutes. Existing single drugs with gas transport function that have been used clinically cannot completely replace the blood function and do not allow to stop using donor red blood cells, but they allow you to gain precious time, making a decisive contribution to saving patients in critical conditions and to encourage further development of more modern blood substitutes. We are deeply convinced that these blood substitutes, which model the most important oxygen transfer function of the blood, will take a worthy place in the future among various methods that is an alternative to the use of donor blood.


blood substitutes; hemoglobin-based oxygen carriers; perfluororganic compounds; perftorane; intensive care


Иваницкий Г.Р. Донорская кровь и ее альтернативы // Перфторорганические соединения в биологии и медицине. — Пущино, 1999. — С. 5-20.

Усенко Л.В., Шифрин Г.А. Интенсивная терапия при кровопотере. — 2-е изд., исправ. и доп. — К.: Здоров’я, 1995. — 235 с.

Софронов Г.А., Селиванов Е.А., Ханевич М.Д. Стратегия поиска искусственных заменителей крови // Физиологически активные вещества на основе перфторуглеродов в экспериментальной и клинической медицине. — СПб., 1999. — С. 78-85.

Lu S.J., Feng Q., Park J.S., Vida L., Lee B.-S., Strausbauch M., Wettstein P.J., Honig G.R., Lanza R. Biologic pro­perties and enucleation of red blood cells from human embryonic stem cells // Вlood. — 2008. — Vol. 112. — P. 4475-4484. doi: 10.1182/blood-2008-05-157198.

Mozzarelli A., Bettati S. (еds.) Chemistry and Biochemistry of Oxygen Therapeutics: From Transfusion to Artificial Blood. — Wiley, 2011. — 466 p.

Azuma H., Fujihara M., Sakai H. Biocompatibility of HbV: Liposome — encapsulated hemoglobin molecules — liposome effects on immune function // J. Funct. Biomater. — 2017. — Vol. 8, № 24. — Р. 1-8. doi: 10.3390/jfb8030024.

Freitas R.A. Exploratory Design in Medical Nanotechnology: A Mechanical Artificial Red Cell // Artificial Cells, Blood Substitutes, and Immobil. Biotech. — 1998. — Vol. 26. — P. 411-430.

Mulder A.G., Steggerda F.R. Mammalian life without red blood corpuscles // Science. — 1933. — Vol. 78. — P. 106-107.

Amberson W.R., Jennings J.J., Rhode C.M. Clinical experience with haemoglobin — saline solution // J. Appl. Physiol. — 1949. — Vol. 1. — P. 469-489.

Шевченко Н.В., Худяков С.Н., Зырянов А.А., Пыренков Д.А. Характеристика переносчиков кислорода в современных заменителях крови // Казанский медицинский журнал. — 2012. — № 2. — С. 398-400.

Winslow R.M. Current status of oxygen carriers (‘blood substitutes’): 2006 // Vox Sang. — 2006. — Vol. 91, № 2. — Р. 102-10.

Mozzarelli A., Ronda L., Faggiano S. et al. Haemoglobin-based oxygen carriers: research and reality towards an alternative to blood transfusions // Blood Transfus. — 2010. — Vol. 8(Suppl. 3). — P. 59-68. doi: 10.2450/2010.010S; doi: 10.2450/2010.010S.

Toma V.A., Farcaș A.D, Roman I., Sevastre B., Hathazi D., Scurtu F., Damian G., Silaghi-Dumitrescu R. Comparative in vivo еffects of Hemoglobin-Based Oxygen Carriers (HBOC) with va­rying prooxidant and physiological reactivity // PLOS ONE. — 2016, April 20. — P. 1-16. doi: 10.1371/journal.pone.0153909.

Van Hemelrijck J., Levien L.J., Veeckman L., Pitman A., Zafirelis Z., Standl T. A safety and efficacy evaluation of hemoglobin-based oxygen carrier HBOC-201 in a randomized, multicenter red blood cell controlled trial in noncardiac surgery patients // Anesth. Analg. — 2014. — Vol. 119(4). — Р. 766-776. doi: 10.1213/ANE.0000000000000305.

Jahr J.S., Moallempour M., Lim J.C. HBOC-201, hemoglobin glutamer-250 (bovine), Hemopure (Biopure Corporation) // Expert Opin. Biol. Ther. — 2008. — Vol. 8. — Р. 1425-1433.

Жибурт Е.Б., Шестаков Е.А. Гемопюр — кровезаменитель на основе гемоглобина // Вестник Национального медико-хирургического центра им. Н.И. Пирогова. — 2012. — Т. 7, № 2. — С. 74-81.

Советский кровезаменитель вновь начнут производить в России. Режим доступа: krov kotoruyu planiruetsya ispolzovat pri perеsadke golovy-nachnut proizvodit v rossii 16 Мая 2016.

Hughes G.S., Francome S.F., Antal E.J. et al. Hemoglobin effects et a novel hemoglobin-based oxygen carrier is normal male and female subjects // J. Lab. Clin. — 1995. — Vol. 126. — Р. 444-451.

Chen J.Y., Scerbo M., Kramer G. A review of blood substitutes: examining the history, clinical trial results, and ethics of hemoglobin-based oxygen carriers // Clinics. — 2009. — Vol. 64(8). — P. 803-813. doi: 10.1590/S1807-59322009000800016.

Levien L.J. South Africa: clinical experience with Hemopure // ISBT Science Series. — 2006. — Vol. 1 — Р. 167-173.

Vandegriff K.D., Malavalli A., Wooldridge J., Loh­man J., Winslow R.M. MP4, a new nonvasoactive PEG-Hb conjugate // Transfusion. — 2003. — Vol. 43(4). — P. 509-516. doi: 10.1046/j.1537-2995.2003.00341.x.

Young M.A., Riddez L., Kjellström B.T., Bursell J., Winslow F., Lohman J. MalPEG-hemoglobin (MP4) improves hemodynamics, acid-base status, and survival after uncontrolled hemorrhage in anesthetized swine // Crit. Care Med. — 2005. — Vol. 33, № 8. — P. 1794-1804. doi: 10.1097/01.CCM.0000172648.55309.13.

Барон Ж.Ф., Аттели Н., Сирье Д. Раствор гемоглобина: мечта или реальность? // Актуальные проблемы анестезиологии и реаниматологии. Освежающий курс лекций. — Архангельск, 1997. — С. 63-67.

Varnado C.L., Mollan T.L., Birukou I. Development of Recombinant Hemoglobin-Based Oxygen Carriers // Antioxid. Redox Signal. — 2013. — Vol. 18. — P. 2314-2328.

Rousselot M., Delpy E., Drieu La Rochelle C. et al. Are­nicola marina extracellular hemoglobin: a new promising blood substitute // Biotechnol. J. — 2006. — Vol. 1, № 3. — P. 333-345.

Малахов С.Ф., Костюченко А.Л. Клиническое применение нового кислородопереносящего кровезаменителя // Новое в анестезии и реанимации. Материалы первой годичной конференции Ленинградского общества анестезиологов и реаниматологов. — Л., 1972. — С. 32-34.

Селиванов Е.А., Быстрова И.М., Ханевич М.Д., Парашин М.Е. Экспериментальное и клиническое изучение кровезаменителя — переносчика кислорода на основе модифицированного гемоглобина // Физиологически активные вещества на основе перфторуглеродов в военной медицине. — СПб., 1997. — С. 95-96.

Корик В.Е., Коновалов С.В., Афонова В.А., Крикухин Ю.С. Влияние геленпола на газотранспортную функцию крови // Физиологически активные вещества на основе перфторуглеродов в экспериментальной и клинической медицине. — СПб., 2001. — С. 27-28.

Yu B., Bloch K.D., Zapol W.M. Hemoglobin Based Red Blood Cell Substitutes and Nitric Oxide // Trends Cardiovasc. Med. — 2009. — Vol. 19, № 3. — Р. 103-107. doi: 10.1016/j.tcm.2009.06.004.

Elmer J., Alam H.B., Wilcox S.R. Hemoglobin-based oxy­gen carriers for hemorrhagic shock // Resuscitation. — 2012. — Vol. 83. — P. 285-292. doi: 10.1016/j.resuscitation.2011.09.020.

Natanson C., Kern S.J., Lurie P. et al. Cell-free hemoglobin-based blood substitutes and risk of myocardial infarction and death: a meta-analysis // JAMA. — 2008. — Vol. 29. — P. 2304-2312. doi: 10.1001/jama.300.11.1295-a.

Sakai H., Sou K., Horinouchi H., Kobayashi K., Tsuchida E. Haemoglobin — vesicles as artificial oxygen carriers: present situation and future visions // Intern. Med. — 2007. — Vol. 263. — P. 4-15. doi: 10.1111/j.1365-2796.2007.01893.

Маевский Е.И. О некоторых проблемах внедрения наукоемких продуктов на примере истории препарата перфторан / Г.Р. Иваницкий, Е.Б. Жибурт, Е.И. Маевский (ред.) // Перфторуглеродные соединения в биологии и медицине. — Пущино, 2004. — C. 32-48.

Иваницкий Г.Р., Белоярцев Ф.Ф. О развитии фундаментальных и прикладных исследований по проблеме «Перфторуглероды в биологии и медицине в СССР // Медико-биологические аспекты применения эмульсий перфтор­углеродов. — Пущино, 1983. — C. 3-38.

Усенко Л.В., Клигуненко Е.Н., Криштафор А.А., Царев А.В. Перфторуглеродные соединения в биологии и медицине. Часть 1. Клиническая фармакология перфторорганических соединений // Укр. мед. часопис. — 2000. — № 3. — C. 56-61.

Мороз В.В., Кирсанова А.К., Новодержкина И.С. и др. Мембранопротекторное действие перфторана на эритроциты при острой кровопотере // Общая реаниматология. — 2011. — № 1. — С. 5-9.

Мороз В.В. Основные направления исследования перфторуглеродов в биологии и медицине // Реаниматология и интенсивная терапия. — 1997. — № 1. — С. 19-27.

Кокоз Ю.М., Кобринский Е.М., Фрейдин А.А., Исламов Б.И., Маевский Е.И., Белоярцев Ф.Ф., Иваницкий Г.Р. Действие газопереносящей эмульсии перфторуглеродов на миокард (ионный транспорт, сократительная активность и чувствительность к медиаторам) // ДАН СССР. — 1983. — № 2. — С. 459-461.

Воробьев С.И., Иваницкий Г.Р., Ладилов Ю.В., Образцов В.В., Склифас А.Н., Пономарчук В.В., Онищенко Н.А. Модификация мембран клеток перфторуглеродами как возможный механизм уменьшения степени ишемического повреждения миокарда // ДАН СССР. — 1988. — № 1. — С. 228-230.

Кузнецова И.Н., Гербут К.А., Лягушкина Л.В. Изменения массопереноса газов крови в условиях гипоксии при инфузии эмульсии перфторуглеродов // Физиологический журнал СССР. — 1986. — № 2. — С. 231-238.

Воробьев С.И. Перфторан: плазмозаменитель с газотранспортной функцией. — Пущино: ПНЦ-РАН, 1996. — 48 с.

Зарицкий А.Р., Кузнецова И.Н., Переведенцева Е.В., Фок М.В. Влияние эмульсий перфторуглеродов на скорость оксигенации и деоксигенации крови // Журнал физической химии. — 1993. — № 3. — С. 591-594.

Perevedentseva E.V., Zaritskiy A.R., Fok M.V., Kuz­netsova I.N. Perfluorocarbon emulsion increase transfer of oxygen in plasma from erythrocyte to tissue // Art Cells, Blood Subs. and Immob. Boitech. — 1998. — Vol. 262. — P. 223-229.

Усенко Л.В., Е.Н. Клигуненко, Ф.Ф. Белоярцев Наш опыт применения негемоглобиновых кислородонесущих кровезаменителей при острой нейротравме // Материалы VI науч. конф. анестезиологов-реаниматологов. — Кустанай, 1986. — Часть II. — C. 101-103.

Усенко Л.В., Клигуненко Е.Н. Опыт применения перфторана при тяжелой черепно-мозговой травме и постасистолическом синдроме // Перфторуглероды и медицина. — Новосибирск, 1990. — C. 126-130.

Усенко Л.В., Естрін А.О., Перцева Т.О., Черкасова О.Г. Гемопротекторні ефекти перфторану у хворих на гострий інфаркт міокарда // Медичні перспективи. — 1996. — № 1. — С. 21-27.

Усенко Л.В., Криштафор А.А. Перфторан в профилактике постгипоксической энцефалопатии // Перфторорганические соединения в биологии и медицине. — Пущино, 1999. — C. 76-87.

Усенко Л.В., Клигуненко Е.Н., Криштафор А.А., Царев А.В. Перфторуглеродные соединения в биологии и медицине. Часть 2. Перфторуглеродные соединения и эмульсии в хирургии // Укр. мед. часопис. — 2000. — № 6. — C. 27-33.

Усенко Л.В., Болтянский С.В. Продвинутая острая нормоволемическая гемодилюция с использованием перфторана у больных пожилого возраста при абдоминальных операциях // Г.Р. Иваницкий, Е.Б. Жибурт, Е.И. Маевский (ред.). Перфторуглеродные соединения в биологии и медицине. — Пущино, 2004. — C. 60-64.

Мороз В.В., Крылов Н.Л., Иваницкий Г.Р. Применение перфторана в клинической медицине // Анестезиология и реаниматология. — 1995. — № 6. — С. 12-17.

Мороз В.В., Крылов Н.Л. Некогда спорные, но сего­дня решенные, вопросы применения перфторана в клинике // Перфторорганические соединения в биологии и медицине. — Пущино, 1999. — C. 25-32.

Богданова Л.А., Маевский Е.И., Иваницкий Г.Р., Пушкин С.Ю., Аксенова О.Г. Краткий обзор применения перфторана в клинике // Г.Р. Иваницкий, Е.Б. Жибурт, Е.И. Маевский (ред.). Перфторуглеродные соединения в биологии и медицине. — Пущино, 2004. — C. 18-32.

Trakarnsanga K., Griffiths R.E., Wilson M.S., Blair A., Satchwell T.J., Meinders M., Cogan N., Kupzig S., Kurita R., Nakamura Y., Toye A.M., Anstee D.J., Frayne J. An immorta­lized adult human erythroid line facilitates sustainable and sca­lable generation of functional red cells // Nature communications. — 14 Mar 2017. — Vol. 8: 14750. — P. 1-7. doi: 10.1038/ncomms14750.

Copyright (c) 2018 EMERGENCY MEDICINE

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.


© Publishing House Zaslavsky, 1997-2020


   Seo анализ сайта