DE69318139T2

DE69318139T2 - Erleichterte sauerstoffabgabe im zusammenhang mit blutverdünnung

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Publication number: DE69318139T2
Application number: DE69318139T
Authority: DE
Inventors: Nicolas Simon Normanton By Bottesford Ng13 0Ep Faithful; Peter E. San Diego Ca 92130 Keipert; Jane G. F-06950 Nice Riess; Duane J. La Jolla Ca 92037 Roth; Thomas F. Cincinnati Oh 45244 Zuck
Original assignee: Alliance Pharmaceutical Corp
Current assignee: Alliance Pharmaceutical Corp
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-02-27
Also published as: CA2117528C; AU660257B2; AU3915093A; ES2115057T3; ATE165238T1; WO1993016688A1; US5344393A; EP0627913A1; CA2117528A1; JPH07504200A; HK1010448A1; DE69318139D1; EP0627913B1; GR3026707T3; US5451205A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte medizinische Verfahren, bei denen die Verabreichung eines synthetischen Sauerstoffträgers in Kombination mit einem autologen Blutaustausch (und vorzugsweise in Kombination mit einer Hämodilution) eingesetzt wird, so daß weniger oder gar kein homologes Blut benötigt wird.
Mehr als 13 Millionen Einheiten Blut werden jährlich allein in den Vereinigten Statten gespendet und davon etwa 10 Millionen Einheiten an 4 Millionen Empfänger transfundiert. Etwa zwei Drittel der transfundierten Einheiten werden für Operationen verbraucht, während der Rest hauptsächlich für die Behandlung schwerer Anämien oder bei Notfällen eingesetzt wird. Die Erfahrungen aus klinischen Studien zeigen, daß sich die postoperative Erholungsphase verkürzen läßt, wenn die Hämoglobinkonzentration nicht unter 10 g/dl abfällt, wobei dieser Wert die allgemein anerkannte Indikation für eine Transfusion darstellt (Zauder, Anesth. Clin. North Amer. 8 (1990), 471-480). Dieses Kriterium wird zur Zeit jedoch wieder diskutiert, seit man das mit der homologen Bluttransfusion einhergehende erhöhte Risiko kennt (NIH Consensus Conference JAMA 260 (1988), 2700-2703). Dies führte auch wieder zu einem gesteigerten Interesse an der Verwendung von Verfahren der autologen Bluttransfusion, insbesondere der präoperativen Blutspende und der akuten normovolämischen Hämodilution (ANH)
Obwohl die erste autologe Bluttransfusion (d.h. die Wiederinfusion von Eigenblut des Patienten) bereits vor mehr als 170 Jahren durchgeführt wurde, dauerte es bis in die frühen 1970er Jahre, bis sich diese Methode aufgrund zunehmender Bedenken wegen der Übertragung von Hepatitis durchzusetzen begann. In letzter Zeit nahm das Interesse seitens der Patienten und auch der Ärzte an autologen Transfusionen aufgrund der AIDS-Gefahr weiter zu. Obwohl die Problematik jedermann bewußt ist und die Vorteile der autologen Bluttransfusion allgemein anerkannt sind, haben neuere Studien gezeigt, daß die autologe präoperative Blutspende im allgemeinen relativ selten eingesetzt wird (wobei sie schätzungsweise nur 2 bis 5 % aller gespendeten Einheiten in den USA ausmacht). Fukushima K. et al., Jp. J. Anesthesiol. 30, Nr. 7, (1981), 741-745, beschreiben einen intraoperativen Aderlaß zu Beginn, eine Hämodilution und autologe Bluttransfusion unter Verwendung einer Lösung von Fluosol-DA (eines biokompatiblen synthetischen Sauerstoffträgers) bei einem Patienten, der sich einer rechten Hemikolektomie unterziehen musste.
Das Ergebnis verschiedener Operationsverfahren kann verbessert werden, wenn die Viskosität des Bluts vor der Operation herabgesetzt wird. Dies kann durch ANH zu Beginn der Operation erfolgen (Stehling et al., Transfusion 31 (1991), 857). ANH ist ein Verfahren, wobei am Anfang des operativen Eingriffs mehrere Einheiten Blut vom Patienten entnommen und gleichzeitig durch einen Kristalloid- oder Kolloid-Plasmavolumenexpander ersetzt werden. Der zugrunde liegende Mechanismus, der die verminderte Sauerstoff-Transportkapazität des verdünnten Bluts größtenteils kompensiert, besteht in einem Anstieg des Herzminutenvolumens und einer gesteigerten Durchblutung der Organe, dies sind Faktoren, die durch die erhöhte Fluidität des Bluts (d.h. geringere Viskosität) bei niedrigeren Hämatokrit-Werten zustande kommen (Messmer et al., Eur. Surg. Res. 18 (1986), 254-263).
Die präoperative Blutspende umfaßt typischerweise die Entnahme von mehreren Einheiten Blut von einem Patienten während eines sechswöchigen Zeitraums vor dem operativen Eingriff. Um eine starke Anämie zu verhindern, ist die Blutmenge begrenzt, die in den Wochen vor der Operation gespendet werden kann, wie das auch bei der Blutmenge der Fall ist, die bei der ANH entnommen werden kann.
Ein wichtiger Nachteil der ANH und in geringerem Ausmaß auch der präoperativen Blutspende besteht darin, daß das Blut während der Operation eine erniedrigte Sauerstoff-Transportkapazität aufweist.
Abgesehen von der ANH und der präoperativen Blutspende gab es auch Vorschläge, während einer Operation Ersatzstoffe für die Erythrocyten oder Blutersatzstoffe anstelle von homologem Blut (d.h. Blut von anderen Menschen) einzusetzen. Die intensive Forschung auf dem Gebiet solcher Blutersatzstoffe während der letzten zwei Jahrzehnte ergab mehrere Zusammensetzungen, die verwendet werden können. Diese umfassen Perfluorkohlenstoff-Emulsionen, wie z.B. Fluosol (Green Cross Corporation, Japan) und Oxygent (Alliance Pharmaceutical Corp., San Diego, USA), und Hämoglobin-Zusammensetzungen, wie z.B. Präparate, die vom Menschen, vom Tier oder aus rekombinanten Quellen stammen. Entsprechend der herkömmlichen Auffassung wird ein Ersatzstoff für Erythrocyten in den gleichen Volumina verabreicht wie Vollblut, das für denselben Zweck eingesetzt würde. EP-A-0 231 070 beschreibt die Verwendung einer bromierten Perfluorkohlenstoff-Emulsion bei Tieren, einschließlich Menschen, als Medium zum Sauerstofftransport.
Leider war der Einsatz solcher Blutersatzstoffe, die anstelle von Blut bei Transfusionen verwendet wurden, nicht ganz zufriedenstellend. Frühe Studien zur Verwendung von Fluosol als Blutersatzstoff ergaben z.B., daß Fluosol nach einem Blutverlust "bei mäßiger Anämie unnötig und bei schwerer Anämie unwirksam" war, Gould et al., New Engl. J. Med. 314 (1986), 1653. In dieser Studie betrug die durchschnittliche Zunahme des arteriellen Sauerstoffgehalts mit dem Arzneistofflediglich 0,7 ml/dl. Hieraus wurde gefolgert, daß die Verwendung solcher Fluorkohlenstoff-Emulsionen als Blutersatzstoffe bei schwer anämischen Patienten keinen signifikanten Vorteil bringen kann. Tatsächlich hat die US Food & Drug Administration nun Fluosol zwar für die Verwendung als Perfusionsmittel während einer perkutanen transluminalen Koronarangioplastie (PTCA) zugelassen, jedoch die Zulassung für die Verwendung als Blutersatzstoff im allgemeinen bis heute versagt.
Ein weiteres Problem bei der Verwendung von Fluorkohlenstoff-Emulsionen und Hämoglobin-Zubereitungen als Ersatzstoffe für Erythrocyten und als Blutersatzstoffe zur Kompensierung eines Blutverlustes bei einer Operation, einer Krankheit oder einer Verletzung ist die relativ kurze Halbwertszeit dieser Stoffe in vivo. Gesunde Menschen benötigen normalerweise etwa zwei Wochen, bis sie nach einem Blutverlust neue Erythrocyten gebildet haben und der Hämatokrit wieder normale Werte erreicht hat. Im Gegensatz dazu beträgt die intravaskuläre Halbwertszeit von Fluorkohlenstoff-Emulsionen und Hämoglobin-Ersatzstoffen in vivo typischerweise weniger als 72 Stunden, häufig sogar weniger als 24 Stunden. Auch wenn z.B. ausreichende Mengen eines Ersatzstoffes für Erythrocyten während und/oder nach einer Operation verabreicht werden, so daß eine adäquate Sauerstoffabgabe gewährleistet ist, fällt trotzdem die Sauerstoff-Transportkapazität signifikant ab, und zwar lange bevor sie der Körper durch die Bildung neuer Erythrocyten kompensieren kann.
Die vorliegende Erfindung umfaßt die Verwendung einer biokompatiblen synthetischen Sauerstoff-transportierenden Flüssigkeit für die Herstellung eines Medikaments zur Steigerung der Kapazität der Sauerstoffabgabe von Patientenblut, wobei
ein Teil des Patientenbluts entnommen und aufbewahrt wird;
die biokompatible Flüssigkeit in ausreichender Menge intravenös verabreicht wird, so daß das Blutvolumen des Patienten erhalten bleibt;
der Patient nach der Verabreichung der biokompatiblen Flüssigkeit einen Blutverlust erleidet;
dem Patienten während des Blutverlustes mit Sauerstoff angereichertes Atemgas zugeführt wird; und
dem Patienten das aufbewahrte Blut wieder verabreicht wird.
In einer Ausführungsform umfaßt die biokompatible Flüssigkeit ferner ein Hämodiluens, wobei das Hämodiluens getrennt vom Sauerstoffträger verabreicht wird. Obwohl die Erfindung Sauerstoffträger umfaßt, die vom Menschen, vom Tier, von einer Pflanze oder aus rekombinantem Hämoglobin stammen, ist der bevorzugte Sauerstoffträger eine Fluorkohlenstoff-Emulsion. In dieser Ausführungsform macht das Volumen des verabreichten Sauerstoffträgers vorteilhafterweise weniger als etwa 50 % des Volumens des Hämodiluens aus. Die Fluorkohlenstoff-Emulsionen können Konzentrationen von lediglich 5 oder 10 % (Gew./Vol.) aufweisen, vorzugsweise liegen sie in einer Konzentration von mindestens 40 oder 60 % (Gew./Vol.) vor. In einigen Ausführungsformen ist das Hämodiluens ein Kristalloid, ein Kolloid oder eine Kombination daraus. Der in der vorliegende Erfindung erwähnte Blutverlust umfaßt einen Blutverlust durch eine Operation, eine Verletzung oder eine Krankheit. Die genaue Menge des verabreichten Sauerstoffträgers kann zwar unterschiedlich sein, im allgemeinen liegt sie jedoch vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 0,5 und 10 ml/kg, bezogen auf das Körpergewicht des Patienten.
In Figur 1 ist die Beziehung zwischen der O&sub2;-Abgabe vom Hämoglobin im Blut und dem Herzminutenvolumen unter normalen Bedingungen (Hämatokrit = 45 %) dargestellt. Die gesamte O&sub2;- Utilisation (oder -Verbrauch; VO&sub2;) ist gleich dem Produkt des Herzminutenvolumens mal der arteriovenösen Sauerstoffdifferenz und ist durch die schraffierte Fläche gekennzeichnet. Die Oxyhb-Dissoziationskurven wurden aus Werten erstellt, die anhand des von Winslow (Int. J. Clin. Monitor Comp. 2 (1985), 81-93) entwickelten Modells erhalten wurden.
In Figur 2 ist die Sauerstoffabgabe und der gesamte Sauerstoffverbrauch nach einer akuten normovolämischen Hämodilution (bis auf einen Hämatokrit von 25 %) und einer Injektion von 3,0 ml/kg Körpergewicht einer 90 % (Gew./Vol.) Perflubron- Emulsion (Oxygent HT) während einer Beatmung mit 100 % O&sub2; dargestellt. Die möglichen Beiträge der einzelnen Kompartimente (d.h. Erythrocyten, Plasma und die Perflubron-Emulsion) zum gesamten O&sub2;-Verbrauch (VO&sub2;) sind durch die verschieden schraffierten Flächen bezeichnet. Bei einem Herzminutenvolumen von 10 l/Min. (und einem arteriellen pO&sub2; von 500 mmhg) ist die durch das Plasma und die Perflubron-Phase alleine zum VO&sub2; beigesteuerte Gesamtmenge etwa genauso groß wie der normale VO&sub2;.
In Figur 3 ist das Herzminutenvolumen bei anästhesierten Hunden während und nach einer akuten Kristalloid-Hämodilution dargestellt. Die Werte sind Mittelwerte ± SEM.
In Figur 4 sind gemischte venöse PO&sub2;-Werte in anästhesierten Hunden während und nach einer starken Kristalloid-Hämodilution dargestellt. Das * weist auf einen signifikanten Unterschied zwischen den zwei Gruppen hin. Die Werte sind Mittelwerte ± SEM.
In Figur 5 ist derjenige prozentuale Anteil der Sauerstoffabgabe und des gesamten Sauerstoffverbrauchs dargestellt, der bei den anästhesierten Hunden nach einer starken Kristalloid-Hämodilution nur durch den in der Perflubron-Emulsion gelösten Sauerstoff beigesteuert wird. Das * weist auf einen signifikanten Unterschied zwischen den zwei Gruppen hin. Die Werte sind Mittelwerte ± SEM.
In Figur 6 sind die Perflubron-Spiegel im Blut nach der Injektion der Perflubron-Emulsion als Funktion der Zeit dargestellt.
In Figur 7 ist der prozentuale Anteil des gesamten Sauerstoffverbrauchs dargestellt, der bei den anästhesierten Hunden nach einer starken Kristalloid-Hämodilution nur durch den an Hämoglobin gebundenen Sauerstoff beigesteuert wird. Das * weist auf einen signifikanten Unterschied zwischen den zwei Gruppen hin. Die Werte sind Mittelwerte ± SEM.

A. Übersicht der Erfindung

In der nachstehend beschriebenen Erfindung wird die Verwendung von Sauerstoffträgern mit begrenzter intravaskulären Halbwertszeit (Blutersatzstoffen) mit Verfahren der autologen Bluttransfusion kombiniert, umfassend insbesondere eine Kombination von präoperativer Blutspende und perioperativer Hämodilution. Bei Patienten, die vor einem operativen Eingriff Blut gespendet haben (präoperative Blutspende) und bei denen eine ausreichende Sauerstoff-Transportkapazität erhalten bleiben soll, kann ein Sauerstoffträger infundiert werden. Eine solche Zugabe stellt eine weitere Sicherheitsreserve hinsichtlich einer erhöhten Sauerstoffabgabe bereit. Diese Sicherheitsreserve könnte bereits durch kleine Mengen des Ersatzstoffes bewirkt werden, der typischerweise im Verhältnis von weniger als Einszu-Eins eingesetzt wird (d.h. nicht im gleichen Volumen).
Als Alternative kann während einer perioperativen Hämodilution ein Sauerstoff-transportierender Blutersatzstoff mit begrenzter intravaskulärer Verweilzeit als Formulierung für den partiellen Ersatz verwendet werden. Wie vorstehend muß hiervon nicht so viel zugegeben werden, daß ein Austausch im Verhältnis Eins-zu-Eins, bezogen auf das während oder nach der Hämodilution abgenommene Blut, erfolgt, jedoch sollte die Sauerstoff-Transportkapazität während oder nach der Hämodilution durch Lösungen auf Kristalloid- und/oder Kolloid-Basis unterstützt werden. In dieser klinischen Situation erhält der hämodilutierte Patient eine weitere Sicherheitsreserve, indem die gesamte Sauerstoffabgabe erhöht wird.
Zwei einzigartige Merkmale der vorliegenden Erfindung sind besonders wichtig. Erstens wendet sich die Erfindung von der üblichen Praxis ab, Blutersatzstoffe bei akuter oder chronischer Anämie im Austausch für Blut im Verhältnis Eins-zu- Eins einzusetzen. Stattdessen erhöht die vorliegende Erfindung die Sicherheitsreserve bereits gebräuchlicher Verfahren der autologen Transfusion, indem vorzugsweise ein Austausch im Verhältnis von weniger als Eins-zu-Eins vorgenommen wird, das heißt, es wird ein kleineres Volumen eines Sauerstoffträgers (Blutersatzstoffes) infundiert. Die vorliegende Erfindung umfaßt die Entdeckung, daß ein kleines Volumen eines Sauerstoffträgers bereits die Vorteile einer erhöhten Sauerstoffabgabe bewirkt, insbesondere wenn der Sauerstoffträger in Kombination mit Verfahren der autologen Transfusion eingesetzt wird. Diese Hypothese wurde in einem Modell mit akuter Hämodilution bei Hunden bestätigt.
Zweitens wird nachdrücklich auf eine kombinierte Verwendung von Verfahren der autologen Transfusion und der Infusion von Blutersatzstoften Wert gelegt, wodurch eine homologe Transfusion vermieden werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von sowohl präoperativen Spenden als auch perioperativen autologen Verfahren mit Infusionen verschiedener Sauerstoff-transportierender Blutersatzformulierungen vorzugsweise in Mengen von weniger als Eins-zu-Eins. Diese Erfindung umfaßt die Verwendung eines beliebigen Verfahrens oder aller dieser Verfahren in jeder beliebigen Reihenfolge oder in jedem beliebigen Ausmaß, die im beschriebenen klinischen Fall perioperativ klinisch angewendet werden können.

B. Material

Eine große Zahl von Stoffen, die in der vorliegenden Verbindung verwendet werden können, sind dem Fachmann bereits bekannt. Ohne den Umfang der Erfindung einschränken zu wollen, werden nachstehend bestimmte repräsentative Stoffe beschrieben.
Mehrere, als intravenöse Sauerstoffträger wirkende Zubereitungen wurden vorgeschlagen oder beschrieben. Diese umfassen Fluorkohlenstoff-Emulsionen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Perfluorkohlenstoff-Emulsionen. Solche Emulsionen sind typischerweise Fluorkohlenstoff-in-Wasser-Emulsionen mit einer diskontinuierlichen Fluorkohlenstoff-Phase und einer kontinuierlichen wäßrigen Phase. Die Emulsionen umfassen typischerweise Emulgatoren und Mittel zum Einstellen des osmotischen Drucks, außerdem Puffer und Elektrolyte.
Die Fluorkohlenstoff-Emulsion kann aus den verschiedensten geeigneten Emulsionen ausgewählt werden. Vorteilhafterweise ist sie eine Fluorkohlenstoff-in-Wasser-Emulsion, die eine bevorzugte Fluorkohlenstoff-Konzentration von etwa 5 bis etwa 125 % (Gew./Vol.) aufweist.
Fluorkohlenstoffe sind mit Fluor substituierte kohlenwasserstoffe, die in medizinischen Anwendungen als bildgebende Substanzen und als Blutersatzstoffe eingesetzt wurden. Im US- Patent Nr. 3 975 512 von Long werden Fluorkohlenstoffe, einschließlich bromierter Perfluorkohlenstoffe, bei radiologischen Darstellungen als kontrastverstärkende Medien eingesetzt. Bromierte Fluorkohlenstoffe und andere Fluorkohlenstoffe sind als sichere biokompatible Substanzen bekannt, vorausgesetzt, sie werden in den medizinischen Anwendungen richtig angewendet.
Außerdem ist bekannt, daß Sauerstoff, und Gase im allgemeinen, in einigen Fluorkohlenstoffen stark löslich sind. Aufgrund dieser Eigenschaft konnten die Forscher emulgierte Fluorkohlenstoffe als Blutersatzstoffe entwickeln. Eine allgemeine Diskussion der Eigenschaften der Fluorkohlenstoffe als Blutersatzstoffe und eine Übersicht über die Vorgehensweisen und die Probleme, die mit diesen Eigenschaften zusammenhängen, finden sich in "Reassessment of Criteria for the Selection of Perfluorochemicals for Second-Generation Blood Substitutes: Analysis of Structure/Property Relationship" von Jean G. Riess, Artificial Organs 8 (1984), 34-56.
Der Fluorkohlenstoff ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Perfluorkohlenstoff oder ein substituierter Perfluorkohlenstoff. Die in diesen Emulsionen eingesetzten Fluorkohlenstoffmoleküle können verschiedene Strukturen besitzen, umfassend eine unverzweigte oder verzweigte Kette oder cyclische Strukturen, wie in Riess, J., Artificial Organs 8 (1), (1984), 44-56, beschrieben. Diese Moleküle können außerdem bis zu einem gewissen Grad ungesättigt sein, ferner können sie Brom- oder Wasserstoffatome enthalten, oder sie können Aminderivate sein. Die Fluorkohlenstoffe können in der Emulsion in jeder beliebigen zweckmäßigen Konzentration vorliegen, üblicherweise im Bereich von etwa 5 bis 125 % Gewicht pro Volumen (Gew./Vol.). Hier sollen die als Gewicht/Volumen definierten Konzentrationen g/ml bedeuten und %, Gewicht pro Volumen, soll g/100 ml bedeuten.
Obwohl auch Konzentrationen von lediglich 5 % (Gew./Vol.) verwendet werden können, betragen die Konzentrationen in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens 25 oder 30 %, vorzugsweise mindestens 40, 50, 55, 60, 75 oder 80 % (Gew./Vol.). Besonders bevorzugt sind Emulsionen von 85, 90 und 100 %. Bevorzugte Fluorkohlenstoff-Emulsion-Formulierungen sind diejenigen, die in den US-Patenten Nr. 4 865 836, 4 987 154 und 4 927 623 beschrieben werden.
In der vorliegenden Erfindung können mehrere Fluorkohlenstoffe verwendet werden. Diese Fluorkohlenstoffe umfassen Bis(F-alkyl)ethane, wie z.B. C&sub4;F&sub9;CH=CH&sub4;CF&sub9; (manchmal mit "F-44E" bezeichnet), i-C&sub3;F&sub9;CH=CHC&sub6;F&sub1;&sub3; ("F-i36e") und C&sub6;F&sub1;&sub3;CH=CHO&sub6;F&sub1;&sub3; ("F-66E"); cyclische Fluorkohlenstoffe, wie z.B. C&sub1;&sub0;F&sub1;&sub8; ("F- Decalin", "Perfluordecalin" oder "FDC"), F-Adamantan ("FA"), F-Methyladamantan ("FMA"), F-1,3-Dimethyladamantan ("FDMA"), F-Di- oder F-Trimethylbicyclo[3,3,1] nonan ("Nonan"); perfluorierte Amine, wie z.B. F-Tripropylamin ("FTPA") und F-Tributylamin ("FTBA"), F-4-Methyloctahydrochinolizin ("FMOQ"), F-n- Methyldecahydroisochinolin ("FMIQ"), F-n-Methyldecahydrochinolin ("FHQ"), F-n-Cyclohexylpyrrolidin ("FCHP") und F-2-Butyltetrahydrofuran ("FC-75" oder "RM101").
Andere geeignete Fluorkohlenstoffe können ausgewählt werden aus bromierten Perfluorkohlenstoffen, wie z.B. 1-Bromheptadecafluoroctan (C&sub8;F&sub1;&sub7;br, manchmal mit Perfluoroctylbromid oder "PFOB" bezeichnet, jetzt unter dem in den USA gebräuchlichen Namen ("US Adopted Name") "Perflubron" bekannt), 1- Brompentadecafluorheptan (C&sub7;F&sub1;&sub5;Br) und 1-Bromtridecafluorhexan (C&sub6;F&sub1;&sub3;Br, manchmal als Perfluorhexylbromid oder "PFHB" bezeichnet). Andere bromierte Fluorkohlenstoffe werden im US-Patent Nr. 3 975 512 von Long beschrieben. Außerdem können Fluorkohlenstoffe mit Nichtfluor-Substituenten eingesetzt werden, wie z.B. Perfluoroctylchlorid, Perfluoroctylhydrid und ähnliche Verbindungen mit unterschiedlich vielen Kohlenstoffatomen, z.B. 6 bis 12 Kohlenstoffatomen.
Weitere Fluorkohlenstoffe, die in dieser Erfindung eingesetzt werden können, umfassen perfluoralkylierte Ether oder Polyether, wie z.B. (CF&sub3;)&sub2;CFO(CF&sub2;CF&sub2;)&sub2;OF(CF&sub3;)&sub2;, (CF&sub3;)&sub2; CFO- (CF&sub2;CF&sub2;) &sub3;OCF(CF&sub3;), (CF&sub3;)CFO(CF&sub2;CF&sub2;)F, (CF&sub3;)&sub2;CFO(CF&sub2;CF&sub2;)&sub2;F, (C&sub6;F&sub1;&sub3;) &sub2;O. Ferner Fluorkohlenstoff-Kohlenwasserstoff-Verbindungen, wie z.B. Verbindungen der allgemeinen Formel CnF2n+l Cn'F2n'+1, CnF2n+1OCn'F2ni+1 oder CnF2n+1CF=CHCn'F2n'+1' wobei n und n' gleich oder verschieden sind und etwa 1 bis etwa 10 bedeuten (solange die Verbindung bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit ist). Solche Verbindungen umfassen z.B. C&sub8;F&sub1;&sub7;C&sub2;H&sub5; und C&sub6;F&sub1;&sub3; CH=CHC&sub6;H&sub1;&sub3;. Selbstverständlich sind auch Ester, Thioether und andere auf verschiedene Weise modifizierte gemischte Fluorkohlenstoff-Kohlenwasserstoff-Verbindungen in der weitgefaßten Definition der "Fluorkohlenstoff"-Substanzen enthalten, die für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Auch Gemische aus Fluorkohlenstoffen gehören dazu. Weitere "Fluorkohlenstoffe", die hier nicht aufgeführt sind&sub1; die aber die in dieser Offenbarung beschriebenen Eigenschaften besitzen, so daß sie gemäß der vorliegenden Erfindung in vivo eingesetzt werden können, sind enthalten.
Emulgatoren, die in den erfindungsgemäßen Emulsionen verwendet werden können, können anionische, kationische oder nichtionische grenzflächenaktive Stoffe oder Kombinationen daraus sein, die dem Fachmann der Chemie bekannt sind, oder sie können Gemische aus synthetischen Verbindungen sein, wie z.B. Pluronic F-68, ein Kondensat aus Ethylenoxid mit Propylenglykol, das in US-Patent Nr. 4 073 879 von Long eingesetzt wird. Fluorhaltige grenzflächenaktive Stoffe, die von J. Riess et al., Int'l Symposium on Blood Substitutes, Montreal, Mai 1987, beschrieben werden, sind besonders gut geeignet und können auch verwendet werden. Außerdem können Emulgatoren Gemische aus den vorstehenden Mitteln sein. Besonders geeignete Emulgatoren können natürliche amphipathische Verbindungen umfassen, wie z.B. Phospholipide, insbesondere Phosphatidylcholin, wobei die kombinierten hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften dazu führen, daß das Molekül sowohl mit wäßrigen als auch mit Fluorkohlenstoff-Systemen Wechselwirkungen eingehen kann, wodurch die Emulsionströpfchen erzeugt werden. Es gibt verschiedene Typen in jeder Klasse von Phospholipiden, z.B. die Phospholipid-Choline, umfassend verschiedene Paarungen von gesättigten und ungesättigten Fettsäuren mit der Glycerin-Struktur. Phosphatidylcholin ist eine reichlich vorhandene natürliche Substanz (Lecithin), die aus Eidotter gereinigt oder auch synthetisch hergestellt werden kann (Avanti Polar Lipids, Pelham, ALA). Phospholipid-Emulgatoren, insbesondere Eidotter-Phospholipid und -Lecithin, sind besonders bevorzugt.
Der Phospholipid-Emulgator sollte im Bereich von 2 bis 14 % (Gew./Vol.) zugefügt werden, wobei normalerweise die Phospholipid-Konzentration mit steigender Fluorkohlenstoff-Konzentration zunimmt. Die bevorzugte Menge für eine Emulsion, die 75 % (Gew./Vol.) Bromfluorkohlenstoff umfaßt, beträgt 2,5 bis 5 % (Gew./Vol.) Phospholipid, und für eine Emulsion mit 100 % (Gew./Vol.) Bromfluorkohlenstoff 3,5 bis 10 % (Gew./Vol.) Phospholipid. In einer bevorzugten Ausführungsform macht das Phospholipid mindestens 2 % (Gew./Vol.) der Emulsion aus.
Bei der Emulgierung sind große Energiemengen erforderlich, um ein zweiphasiges, nicht mischbares System in eine Suspension von diskontinuierlichen kleinen Tröpfchen einer hydrophoben Flüssigkeit in einer wäßrigen kontinuierlichen Phase zu verwandeln. Die Emulgierung eines Fluorkohlenstoffs kann normalerweise nach zwei allgemeinen Verfahren durchgeführt werden, wobei dem System Energie zugeführt wird, wodurch die Fluorkohlenstoffmenge in kleine Tröpfchen aufgebrochen wird. Bei der Emulgierung durch Beschallung wird eine Sonde in das Gemisch aus Fluorkohlenstoff, Emulgator und wäßriger Phase eingebracht und sodann Energiestöße von der Spitze der Sonde abgegeben. Bei einem mechanischen Emulgierverfahren, z.B. bei dem mit Hilfe einer Microfluidize -Apparatur (Microfluidics, Newton, MA02164) durchgeführten Verfahren, wird ein Strahl aus den gemischten Bestandteilen der Emulsion mit hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck (z.B. 15 000 Psi) durch die Apparatur geleitet, wobei durch die großen Scherkräfte oder durch Kavitation, die infolge des auf die Flüssigkeit wirkenden mechanischen Stresses zustande kommen, eine Emulsion erzeugt wird.
Die wäßrige Phase der Emulsion kann gelöste Komponenten enthalten, die der Emulsion gewünschte Eigenschaften verleihen. Z.B. kann sie ein Mittel zum Einstellen des osmotischen Drucks umfassen, so daß die Emulsion physiologisch isoton ist. Das Mittel zum Einstellen des osmotischen Drucks kann Natriumchlorid oder eine Polyhydroxy-Verbindung, wie z.B. ein Zucker oder Mannit, sein. Die wäßrige Phase enthält außerdem lösliche Puffer.
Auch die Lipidphase der Emulsion kann gelöste Komponenten enthalten. Z.B. kann ein Phosphatidylcholin-Emulgator mit Glycerin, Phosphatidylglycerin, anderen Phospholipiden oder Cholesterin gemischt werden, ferner kann er ein Antioxidans, wie z.B. ein Tocopherol, umfassen, das vor einer Lipid-Oxidation schützt.
Mehrere Fluorkohlenstoff-Emulsionen wurden für die Verwendung als intravaskuläre Sauerstoffträger kommerziell hergestellt. Diese umfassen eine gemischte Decalin-Emulsion, die von Alpha Therapeutics Corp. unter dem Warenzeichen FLUOSOL vertrieben wird, und Perflubron-Emulsionen, die von Alliance Pharmaceutical Corp., San Diego, Kalifornien, hergestellt werden.
Eine Perflubron-Emulsion ist z.B. eine 90 % (Gew./Vol.) Perflubron-Emulsion, die als Oxygent HT bezeichnet wird und die folgende Rezeptur I aufweist: Rezeptur I der Perflubron-Emulsion
Die Hämoglobin-Präparate, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind bekannt. Solche Zubereitungen werden z.B. in den folgenden US-Patenten beschrieben: US- Patente Nr. 4 911 929, 4 861 867, 4 857 636, 4 777 244, 4 698 387, 4 600 531, 4 526 715, 4 473 494 und 4 301 144.
Verschiedene Stoffe wurden bereits erfolgreich als Plasmaexpander bei Hämodilutionsverfahren eingesetzt. Hierzu zählen die bekannten Typen der Kristalloid-Zubereitungen (z.B. Ringer-Lactat und Kochsalzlösung (0,9 %), beide von Baxter Healthcare Corp., Deerfield, IL) und Kolloid-Zubereitungen. Die Kolloid-Präparate umfassen (1) modifizierte flüssige Gelatinen, wie z.B. die unter den folgenden Warenzeichen vertriebenen Mittel: Plasmagel (R. Bellon Lab., Neuilly-sur-Seine, Frankreich), Gelifundol (Biotest, Frankfurt, BRD), Haemacel (Hoechst-Roussel Pharmaceutical Inc., Sommerville NJ); (2) Dextranlösungen, wie z.B. die unter den Warenzeichen Macrodex (Dextran-70) und Rheomacrodex (Dextran-40) vertriebenen Präparate (beide von Pharmacia, Piscataway, NJ); (3) Albuminlösungen, wie z.B. das unter dem Warenzeichen Albutein (Alpha Therapeutics, Los Angeles, CA) vertriebene Präparat und menschliches Serumalbumin (5 %) von Abbott Labs, North Chicago, IL; (4) Stärkelösungen, wie z.B. Hetastarch (Hydroxyethylstärke) Hespan (Dupont, Willmington, DE). Diese Präparate werden in verschiedenen Volumina verabreicht, um das Blutvolumen des Patienten im normalen Bereich zu halten und die Zunahme des Herzminutenvolumens zu fördern, die bei den Verfahren der Hämodilution auftritt. Im allgemeinen sollten Lösungen auf Kristalloid-Basis in Verhältnissen von 2:1 oder 3:1, bezogen auf das Volumen des entnommenen Bluts, verabreicht werden; Kolbide werden üblicherweise in kleineren Mengen zugeführt.

C. Verfahren

Durch die Verwendung von autologem Blut kann das bei Transfusionen bestehende Risiko vermieden werden, daß mit dem Blut Krankheiten übertragen werden. Autologes Blut, das später für Transfusionen wiederverwendet werden soll, kann auf verschiedene Arten gewonnen werden, umfassend eines oder mehrere der folgenden Verfahren: präoperative Spende; perioperative isovolämische Hämodilution; intraoperative "Salvage" (Rückgewinnung) und postoperative Salvage.
Für eine präoperative Spende muß der operative Eingriff rechtzeitig vor dem tatsächlichen Datum geplant werden. Das Blut wird vom Patienten in den Wochen und Monaten vor der Operation abgenommen und für die anschließende Verabreichung an den Patienten aufbewahrt. Die Aderlasse zu 350 bis 400 ml erfolgen typischerweise alle zwei bis sieben Tage, wobei die letzte Blutspende länger als 72 Stunden vor der Operation stattfinden sollte. Das Blut kann in flüssigem Zustand als Vollblut aufbewahrt werden, oder es kann in Erythrocyten und Plasma aufgetrennt und zur Konservierung labiler Komponenten eingefroren werden.
Die perioperative isovolämische Hämodilution ist ein Verfahren, bei dem Blut unmittelbar vor einem operativen Eingriff abgenommen wird und gleichzeitig durch ein ausreichendes Volumen einer Kristalloid- oder Kolloid-Lösung ersetzt wird. Diese Praxis setzt die Viskosität des Bluts während der Operation herab, wodurch die Arbeitsbelastung für das Herz reduziert und die Mikrozirkulation gesteigert wird. Üblicherweise wird genügend Blut entnommen, so daß der Hämatokrit von einem typischen Normalwert von etwa 0,45 auf etwa 0,20 bis 0,35, vorzugsweise auf etwa 0,25 bis etwa 0,30, fällt. Dieses Blut wird bis zur Wiederverabreichung an den Patienten während oder nach der Operation aufbewahrt. Nach der Entnahme eines Teils des Bluts oder gleichzeitig mit der Entnahme wird dem Patienten ein Kristalloid- oder Kolloid-Plasmaexpander (oder beide) verabreicht, so daß das Blutvolumen den gewünschten Wert, typischerweise den Normalwert, behält.
Die intraoperative Blut-Salvage besteht darin, das aus einer Wunde oder Körperhöhle während der Operation ausgetretene Blut aufzufangen, es aufzubereiten und das aufbereitete Blut wieder in denselben Patienten zu infundieren. Dieses Verfahren ist sicher und effektiv, sofern bestimmte grundlegende Vorsichtsmaßregeln befolgt werden, wodurch sichergestellt ist, daß das Blut nicht mit Bakterien oder anderen Krankheitserregern oder mit malignen Zellen verunreinigt ist. Autotransfusions-Vorrichtungen zum Auffangen, Filtern und zur Wiederinfusion des Bluts sind im Handel. Einige Vorrichtungen trennen außerdem die Erythrocyten ab und waschen sie, wodurch vermieden wird, daß Blut verabreicht wird, das mit Zelltrümmern, Spüllösungen, aktivierten Faktoren, Antikoagulantien und freiem Hämoglobin verunreinigt ist. Eine geeignete Vorrichtung dieses Typs ist der "Haemonetics Cell Separation and Cell Washer", Haemonetics Corp., Braintree, MA.
Die postoperative Salvage und Autotransfusion umfaßt das Auffangen von Blut, das in den Stunden nach der Operation durch die Drainage aus der Operationswunde austritt. Sofern die grundlegenden Vorsichtsmaßregeln befolgt werden, wodurch die Sterilität des aufgefangenen Bluts sichergestellt ist, ist das Verfahren sicher und gut verträglich. Für dieses Verfahren können die gleichen handelsüblichen Vorrichtungen verwendet werden wie für die intraoperative Blut-Salvage.
Ausführliche Beschreibungen von Verfahren zur autologen Bluttransfusion und akuten isovolämischen oder normovolämischen Hämodilution finden sich z.B. in Stehling et al., Transfusion 31 (1991), 857, und Mercuriali et al., Autologous Blood, Transmedica Europe Limited, Eastbourne, Großbritannien, (1991).
Bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung werden Verfahren zur autologen Bluttransfusion (vorzugsweise umfassend die perioperative Hämodilution) mit der Verabreichung von Nicht-Blut-Sauerstoffträgern kombiniert, umfassend Hämoglobin-Zubereitungen und stärker bevorzugt Fluorkohlenstoff-Emulsionen. In dieser Erfindung wird nachstehend die Verwendung von Sauerstoffträger-Arzneistoffen in begrenzter Dosierung und mit einer kurzen intravaskulären Halbwertszeit mit Verfahren der autologen Bluttransfusion kombiniert, umfassend insbesondere die präoperative Blutspende und Verfahren der perioperativen Hämodilution. Bei Patienten, die vor der Operation Blut gespendet haben (präoperative Blutspende), kann während der Operation ein Sauerstoffträger-Arzneistoff infundiert werden, um eine ausreichende Sauerstoffabgabe zu gewährleisten, wobei das autologe Blut für die definitive Behandlung einer am Ende der Operation oder postoperativ auftretenden Anämie aufbewahrt wird. Kleine Mengen des Sauerstoffträger-Arzneistoffs (weniger als 50 % Blutvolumen) bewirken während der Operation diese Sicherheitsreserve, da das Herzminutenvolumen aufgrund der niedrigeren Blutviskosität erhöht ist. Mit diesem Verfahren wird außerdem erreicht, daß dem Patienten weniger oder gar kein homologes Blut verabreicht werden muß.
Genauso kann ein Sauerstoffträger-Arzneistoff in begrenzter Dosierung und mit einer kurzen intravaskulären Verweilzeit, der keine unerwünschten hämodynamischen Wirkungen aufweist, als Zusatzstoff zur herkömmlichen perioperativen Hämodilution effektiv eingesetzt werden. Wie vorstehend beschrieben, würde die durch den Arzneistoff bewirkte Zunahme an bereitgestelltem Sauerstoff während der Operation eine Sicherheitsreserve bieten. In diesem klinischen Fall wird dem hämodilutierten Patienten eine weitere Sicherheitsreserve gewährleistet, indem die gesamte Sauerstoffabgabe während der Operation erhöht wird und das autologe Blut für die definitive Behandlung der Anämie am Ende der Operation oder postoperativ aufbewahrt wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß weniger oder gar kein homologes Blut verabreicht werden muß.
Insbesondere umfaßt eine Ausführungsform der Erfindung die Entnahme eines Teils des Bluts des Patienten und die Verabreichung einer intravenösen Flüssigkeit, wodurch der Hämatokrit von etwa 0,45 auf zwischen 0,20 und etwa 0,35, vorzugsweise etwa 0,25 auf etwa 0,30, herabgesetzt wird. Diese Entnahme wird normalerweise vorher geplant, die Erfindung kann jedoch auch bei Unfallopfern oder anderen Patienten angewendet werden, die einen ungeplanten Blutverlust erleiden. Bei einer geplanten Entnahme wird das Blut für die spätere Wiederverabreichung an den Patienten aufbewahrt.
Entweder gleichzeitig mit der Blutentnahme oder danach wird eine ausreichende Menge einer intravenösen Flüssigkeit verabreicht, wodurch das Herzminutenvolumen so eingestellt werden kann, daß die Sauerstoffabgabe auf einem Niveau erhalten bleibt, das mindestens etwa dem Niveau vor der Entnahme des Patientenbluts entspricht, wobei ein Verfahren verwendet wird, das in der Praxis der Hämodilution gebräuchlich ist. Diese intravenöse Flüssigkeit umfaßt einen Sauerstoffträger, der von Erythrocyten verschieden ist, vorzugsweise eine biokompatible Fluorkohlenstoff-Emulsion der vorstehend beschriebenen Art, wobei jedoch auch Hämoglobin-Präparate und andere Sauerstoffträger verwendet werden können. Außerdem umfaßt die intravenöse Flüssigkeit vorzugsweise einen Plasmaexpander, wie z.B. ein Kolloid oder ein Kristalloid.
Das Volumen der an den Patienten verabreichten intravenösen Flüssigkeit beträgt vorteilhafterweise mindestens etwa 75 %, vorzugsweise mindestens etwa 100 %, des Volumens des vom Patienten abgenommenen Bluts. Stärker bevorzugt liegt das Volumen der intravenösen Flüssigkeit zwischen etwa 150 und 300 % des entnommenen Blutvolumens, abhängig davon, ob die Flüssigkeit hauptsächlich ein Kolloid oder ein Kristalloid ist. In einer anderen Ausführungsform ist das Volumen der an den Patienten verabreichten intravenösen Flüssigkeit so groß, daß es den Hämatokrit des Patienten auf die vorstehend angegebenen Werte herabsetzt.
In einer Ausführungsform der Erfindung besteht die intravenöse Flüssigkeit zu einem Hauptteil aus einem Plasmaexpander und zu einem kleineren Teil aus einem Sauerstoffträger. Das Volumenverhältnis des verabreichten Expanders zum Sauerstoffträger liegt im Bereich von 1:1 bis mindestens 10:1, abhängig davon, ob die Flüssigkeit ein Kristalloid oder ein Kolloid ist, und abhängig von der Zusammensetzung des Sauerstoffträgers, der Konzentration des Sauerstoffträgers, dem PO&sub2; und dem Herzminutenvolumen. Diese Bereiche sind am besten geeignet, wenn eine hochkonzentrierte Fluorkohlenstoff-Emulsion verwendet wird, die mindestens etwa 40 %, vorzugsweise mindestens etwa 50 oder 60 % Fluorkohlenstoff (Gew./Vol.) enthält.
In einer bevorzugten Ausführungsform, in der eine Fluorkohlenstoff-Emulsion, z.B. eine Perflubron-Emulsion, als Sauerstoffträger eingesetzt wird, beträgt die Menge des tatsächlich an den Patienten verabreichten Fluorkohlenstoffs vorteilhafterweise etwa 0,5 bis etwa 10 g/kg, vorzugsweise 2 bis 6 g/kg, bezogen auf das Körpergewicht des Patienten. Wenn eine 90 oder 100 % (Gew./Vol.) Fluorkohlenstoff-Emulsion verwendet wird, beträgt das Volumen der Emulsion, das für die gewünschte Dosierung erforderlich ist, etwa 0,5 oder 0,55 ml/kg bis etwa 10 oder 11 ml/kg, vorzugsweise etwa 2 bis 6 ml/kg. Wenn andere Konzentrationen des Fluorkohlenstoffs eingesetzt werden, kann das bevorzugte Volumen der Emulsion auf einfache Weise berechnet werden.
Dem hämodilutierten Patienten wird sodann ein Atemgas verabreicht, das mit Sauerstoff angereichert ist, vorzugsweise mit mindestens 50 bis 60 % und am stärksten bevorzugt mit 100 % Sauerstoff. Das angereicherte Atemgas, das aufgrund der Hämodilution gesteigerte Herzminutenvolumen, der Sauerstoffträger und der im wäßrigen Teil der zirkulierenden intravaskulären Flüssigkeit gelöste Sauerstoff bewirken alle gemeinsam, daß dem Patienten erhöhte Sauerstoffspiegel zur Verfügung stehen. Das Zusammenwirken dieser Faktoren auf die Sauerstoffabgabe im Patienten wird nachstehend in den Abschnitten D und E genauer beschrieben.
Während und nach der Operation (oder einem anderen Zustand, der zu einem Blutverlust führt), kann das aus dem Patienten entnommene autologe Blut (oder der Erythrocyten-Anteil daraus) wieder an den Patienten verabreicht werden. Der Sauerstoffträger wird aus dem Kreislauf in relativ kurzer Zeit ausgeschieden und seine Sauerstoff-Transportfunktion gegebenenfalls durch die mittels autologer Transfusion übertragenen Erythrocyten übernommen.

D. Sauerstoffabaabe an die Gewebe

Obwohl man sich bei der Wirkungsweise in keiner Weise auf eine bestimmte Theorie festlegen will, bietet die folgende Diskussion einen Rahmen für das bessere Verständnis der physischen und physiologischen Mechanismen, die zur Funktion der vorliegenden Erfindung beitragen.
Der Sauerstofftransport zu den Geweben läuft in zwei Prozessen ab. Der erste besteht aus der konvektiven Abgabe (im Großen) von O&sub2; an die Gewebe und der zweite aus der Abgabe von O&sub2; an die Gewebe über einen Diffusionsprozess.

(1) Konvektive Sauerstoffabgabe

Der erste Prozess, die konvektive O&sub2;-Abgabe wird durch die nachstehend wiedergegebene Ficksche Gleichung beschrieben, wobei VO&sub2; = Sauerstoffverbrauch, C.O. = Herzminutenvolumen und (a-v)O&sub2; = arteriovenöse Sauerstoffdifferenz.
VO&sub2; = [(C.O.)] x [(a-v)O&sub2;]
Obwohl die Ficksche Gleichung ziemlich einfach ist, sind doch verschiedene wichtige physiologische Variablen enthalten. Z.B. wird die arteriovenöse Sauerstoffdifferenz [(a-v)O&sub2;] durch den O&sub2;-Gehalt sowohl des arteriellen (CaO&sub2;) als auch des venösen (CvO&sub2;) Bluts bestimmt, der jeweils seinerseits direkt mit der Hämoglobin (Hb)-Konzentration und der O&sub2;-Sättigung in Beziehung steht. Die Sauerstoffsättigung wird durch den PO&sub2; und die Lage der Dissoziationskurve des oxy-Hb (oxygenierten Hämoglobins) bestimmt. Der PO&sub2; wird durch die O&sub2;-Spannung in der eingeatmeten Luft und die Kapazität der Lunge, das Blut in den Lungenkapillaren zu oxygenieren, bestimmt. Schließlich wird die Lage der oxyhb-Dissoziationskurve durch 2,3- Diphosphoglycerat (2,3-DPG) und auch durch den pH-Wert und pCO&sub2;-Wert bestimmt, die bei arteriellem und venösem Blut verschieden sind.
Genauso wird das Herzminutenvolumen (C.O.) durch viele Faktoren beeinflußt, einschließlich der Herzfrequenz, des linksventrikulären Füllvolumens (d.h. Schlagvolumen) und des Sauerstoffbedarfs in den Geweben (d.h. Sauerstoffverbrauch, VO&sub2;). Wenn man von einem konstanten Blutvolumen und stabilen hämodynamischen Bedingungen ausgeht, ist das linksventrikuläre Füllvolumen proportional zur Viskosität des Bluts, die bei gesunden Menschen primär vom Hämatokrit (prozentualer Anteil der Erythrocyten im Blut) abhängt.
Einige dieser komplexen Zusammenhänge können grafisch dargestellt werden (vgl. Figur 1). In Figur 1 ist der Sauerstoffgehalt gegen den Sauerstoffdruck, PO&sub2;, aufgetragen. Figur 1 zeigt die Werte für einen normalen, 70 kg schweren Mann in Ruhe mit einer Hämoglobinkonzentration von 14,4 g/dl (Hämatokrit = 45 %). Die Werte für die zur Erstellung dieser grafischen Darstellung verwendeten oxyhb-Dissoziationskurve wurden durch das von Winslow (1985) entwickelte Modell erhalten, mit dem die Gesamtmengen des im Plasma gelösten und an Hämoglobin gebundenen Sauerstoffs berechnet werden können. Bei einem gegebenen arteriellen und venösen PO&sub2; von 100 bzw. 40 Torr beträgt die Differenz von arteriellem zu venösem Sauerstoffgehalt (CaO&sub2; - CvO&sub2;) 5 ml/dl. Bei einem normalen Herzminutenvolumen von 5 1/Min. beträgt der O&sub2;-Verbrauch (VO&sub2;, dargestellt durch die schraffierte Fläche) etwa 250 ml/Min. oder 5 ml/kg/Min..
Normalerweise wird mehr Sauerstoff an das Gewebe abgegeben als verwertet wird, was eine "Sicherheitsreserve" darstellt. Wenn die konvektive Sauerstoffabgabe (im Großen) unter einen bestimmten kritischen Punkt sinkt, kann die Gewebefunktion beeinträchtigt sein, wobei verschiedene Folgen eintreten können, wie Gewebehypoxie, Erzeugung von Milchsäure, Infarkt, Nekrose usw.. Sobald dieses kritische Sauerstoffabgabe-Niveau erreicht ist (d.h., wenn die O&sub2;-Abgabe stark eingeschränkt ist), wird VO&sub2; (Sauerstoffverbrauch) entsprechend dem Angebot eingeschränkt. Der tatsächliche Wert des kritischen Sauerstoffabgabe-Niveaus ist sehr schwierig zu bestimmen, da die Werte für verschiedene Organe oder Kapillarbetten wahrscheinlich unterschiedlich sind.
Wenn der O&sub2;-Verbrauch nicht entsprechend dem Angebot eingeschränkt wird, können Änderungen im Sauerstoffgehalt des arteriellen Bluts durch andere normale physiologische Mechanismen kompensiert werden. Bei Anämie z.B. wird das Herzminutenvolumen erhöht (vgl. nachstehend), und außerdem der Spiegel von Erythrocyten-2,3-DPG. Das Letztere dient dazu, die Dissoziationskurve von oxyHb nach rechts zu verschieben (reduzierte Affinität, erhöhter P&sub5;&sub0; [der PO&sub2;, bei dem Hämoglobin zu 50 % mit O&sub2; gesättigt ist]).
Ein ähnlicher kompensatorischer Mechanismus (hinsichtlich des Herzminutenvolumens) findet während der akuten normovolämischen Hämodilution statt (Messmer et al., Res. Exp. Med. 159 (1986), 152-156). Da der Hämatokrit während der Hämodilution abnimmt, sinkt auch die Viskosität des Bluts signifikant, wodurch das Herzminutenvolumen ansteigt, ohne daß sich die Arbeitsbelastung des Herzens signifikant ändert. Auf diese Weise kann der Gesamt-Sauerstoffverbrauch auf dem gleichen Niveau gehalten werden. Dies ist in Figur 1 dargestellt, woraus ersichtlich ist, daß die Menge des Sauerstoffverbrauchs aus Hämoglobin (d.h. die gesamte Fläche der dünneren Schattierung) sowohl in Figur 1 (vor der Hämodilution) als auch in Figur 2 (nach der Hämodilution) gleich ist.
Eine Untersuchung von Guyton et al. (Cardiac Output and its Regulation, 2. Aufl., Saunders, Philadelphia (1973)) zeigte, daß sich das Herzzeitvolumen in einem großen Bereich umgekehrt zum Hämatokrit verändert, wobei ein "optimaler Hämatokrit" für einen normalen Menschen in Ruhe etwa im Bereich von 40 bis 45 % liegt. Wenn die Hämatokrit-Werte 45 % übersteigen, wird das Herzminutenvolumen durch die Blutviskosität so eingeschränkt, daß die zusätzliche Sauerstoff-Transportkapazität durch die erhöhte Zahl zirkulierender Erythrocyten nur wenig Nutzen bringt. Wenn der Hämatokrit unter etwa 40 % liegt, führt die niedrigere Viskosität zu einem verminderten peripheren Widerstand gegenüber der Durchblutung, so daß das Herzminutenvolumen ansteigen kann, wodurch die normale Sauerstoffabgabe erhalten bleibt.
Man sollte beachten, daß die Steigerung des Sauerstofftransports durch die Verabreichung eines zellfreien Sauerstoffträgers sich in mehreren wichtigen Punkten von einer einfachen Transfusion unterscheidet. Ein entscheidender Punkt, der den Nutzen eines niedrigdosierten zellfreien "Blutersatzstoffes" unterstreicht, besteht darin, daß hierdurch der Plasma-O&sub2; erhöht wird, und nicht der Erythrocyten-O&sub2;, wie das bei der Transfusion von Blut der Fall ist. Durch die Transfusion von Erythrocyten wird die Blutviskosität insgesamt erhöht, was zu einer Abnahme des Herzminutenvolumens führen kann und somit möglicherweise keine Steigerung der Sauerstoffabgabe insgesamt bewirkt.
Andererseits wird durch die Zugabe eines zellfreien Sauerstoffträgers die Sauerstoffabgabe im Großen gesteigert, indem der Sauerstoffgehalt des Plasmas erhöht und möglicherweise das Herzminutenvolumen vergrößert wird (da die Blutviskosität insgesamt reduziert wird). Figur 2 erläutert die Zunahme des möglichen Sauerstoffverbrauchs, die durch Erhöhung des Sauerstoffgehalts des Bluts mittels Einatmen von 100 % O&sub2; erreicht werden kann.
Dieser weitere Beitrag zum VO&sub2; beruht hauptsächlich darauf, daß im Plasmakompartiment eine grössere Menge O&sub2; gelöst ist. Theoretisch kann der VO&sub2; noch weiter erhöht werden, indem unter diesen Bedingungen eine niedrige Dosis einer 90 % (Gew./Vol.) Perflubron-Emulsion zugegeben wird, wodurch noch eine weitere Sicherheitsreserve erhalten wird. Figur 2 erläutert die weitere Erhöhung des möglichen Sauerstoffverbrauchs, die mit einer Gesamtdosis einer 90 % (Gew./Vol.) Perflubron-Emulsion erreicht werden kann.

(2) Sauerstoffabgabe mittels Diffusion

Der Sauerstofftransport zum Gewebe findet auch mittels Diffusion statt. Es gibt eine Reihe von Diffusionsschranken, die der Sauerstoff auf seinem Weg von den Erythrocyten zu den Geweben passieren muß. Das Ficksche Gesetz der Diffusion stellt fest, daß die gesamte Diffusionsrate eines Gases von einem Kompartiment zu einem anderen durch den Diffusionsgradienten, der Differenz zwischen den in den zwei Kompartimenten vorliegenden Gaskonzentrationen (P&sub1;-P&sub2;), und einer Diffusionskonstante, Kd, bestimmt wird, die sich aus vielen Faktoren zusammensetzt, einschließlich der Eigenschaften der Grenzschichten, der Temperatur usw..
d(O&sub2;)/dt = Kd (Pc-Pt)
Den Prozess der Diffusion von Sauerstoff kann man sich einfach veranschaulichen, indem man sich die Bewegung von Wasser durch Löcher in einer Wand vorstellt, die ein höher gelegenes Reservoir von einem tiefer gelegenen Reservoir trennt. Das Wasser wird zuerst in die höhere Ebene (P&sub1;) gefüllt und fließt anschließend in die zweite tiefere Ebene (P&sub2;) Der hydrostatische Druck, der diese Bewegung antreibt, kommt durch den Höhenunterschied zwischen den beiden Reservoirs zustande. Die Geschwindigkeit, mit der sich das Wasser bewegt, wird insgesamt auch durch die Fläche des Querschnitts der Löcher in der Trennwand begrenzt, die den Widerstand gegenüber dem Fließen von Kompartiment 1 zu Kompartiment 2 darstellen. Analog entsprechen die zwei Wasserebenen im vorstehend dargestellten Fickschen Gesetz der Diffusion den zwei O&sub2;-Drücken (P&sub1; und P&sub2;), und die Fläche des Querschnitts der Löcher in der Trennwand (durch die das Wasser fließt) entspricht der Diffusionskonstante, Kd.
Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß es für die Diffusion von O&sub2; von den Erythrocyten zu den Geweben möglicherweise zwei Schranken gibt: die Schicht des unbewegten Plasmas, das den Erythrocyten umgibt, und die gesamten Membranen, die den Plasmaraum vom zellulären Cytosol des angrenzenden Gewebes trennen. Ein Anstieg des O&sub2;-Spiegels im Plasma hat zur Folge, daß die Diffusionsrate zu den Geweben zunimmt, denn das Plasma stellt im vorstehenden Vergleich ein "Reservoir auf einer Zwischenebene" dar. Sofern das O&sub2;-Angebot in den Erythrocyten nicht beschränkt ist, ist tatsächlich die Rate der O&sub2;-Bewegung vom Plasma zu den Geweben proportional zu diesem Plasma-Reservoir. Dies zeigt den wesentlichen Nutzen der vorgeschlagenen Verwendung von niedrigdosierten Sauerstoffträgern, wodurch weniger Transfusionen von homologem Blut erforderlich werden.
Im vorgeschlagenen Mechanismus wird vermutet, daß eine geringe Verkleinerung des Reservoirs des verfügbaren O&sub2; (z.B. Hämodilution) die Diffusionsrate insgesamt nicht nennenswert verändert, da die Rate vermutlich durch die Diffusionsschranke begrenzt wird, die durch die Membranen zwischen dem Plasma und dem Cytosolraum des Gewebes verkörpert wird. Diese Vermutungen werden durch experimentelle Beweise bestätigt.
Die Erhöhung der Abgabe von O&sub2; mittels Diffusion an die Gewebe wird manchmal "Diffusionserleichterung" genannt und könnte die Sauerstoffabgabe an die Gewebe unter Bedingungen steigern, unter denen die Sauerstoffabgabe sonst entsprechend dem Angebot eingeschränkt wäre. Mit anderen Worten sollte eine Erhöhung der Konzentration des gelösten Sauerstoffs (Plasma) den Spiegel senken, bei dem es zur kritischen Sauerstoffabgabe kommt, und dadurch die Sicherheitsreserve zur Verhinderung einer Gewebehypoxie vergrößern. Experimentelle Beweise legen nahe, daß dies tatsächlich der Fall ist. In einer neueren Studie von Faithfull und Cain (J. Crit. Care 3 (1988), 14-18) erhielten Hunde anfangs eine Hämodilution entweder mit 6 % Dextran (durchschnittliches Molekulargewicht 70 000, in Tyrode-Lösung) oder mit der Perfluorkohlenstoff-Emulsion Fluosol, anschließend wurde ihnen nach und nach immer mehr Blut abgenommen und die kritischen Verhältnisse der O&sub2;-Extraktion bestimmt. Die mit Fluosol behandelten Hunde zeigten am kritischen O&sub2;-Abgabe-Punkt niedrigere gemischt-venöse PO&sub2;- Spiegel und Fraktionen mit höherer O&sub2;-Extraktion. Dies legte nahe, daß die Perfluorverbindungen in Fluosol die Diffusion von Sauerstoff in die Gewebe gefördert haben könnten. Diese Wirkung war in den Fluosol-Studien sehr deutlich, da die Hunde vermutlich eine gestörte Mikrozirkulation aufwiesen, die auf einer stark inhomogenen Durchblutung der Kapillaren beruht, die bei Hunden unmittelbar nach der Injektion von lediglich 1 bis 2 ml der Fluosol-Emulsion auftritt (Faithfull et al., Microvasc. Res. 33 (1987), 183-193).
Man sollte beachten, daß die Transfusion von Erythrocyten die Sauerstoffdiffusion nicht in der gleichen Weise beeinflußt, wie beschrieben. Tatsächlich beruht ein weiterer physiologischer Effekt, der von Federspiel et al., Microvasc. Res. 32 (1986), 164-189, beschrieben wird, auf der Tatsache, daß in normalen Kapillarbetten die Erythrocyten durch deutliche Abstände voneinander getrennt sind, wenn sie einzeln das kapillare Netzwerk durchwandern. Man würde erwarten, daß der Sauerstoff von den Erythrocyten hauptsächlich in demjenigen Bereich zum Gewebe übertragen wird, in dem der Erythrocyt in engem Kontakt mit den die Gefäße auskleidenden Endothelzellen steht. Der Zusatz eines zellfreien Sauerstoffträgers könnte die Sauerstoff-Transferrate erhöhen, wobei einfach mehr O&sub2; mit den Endothelzellen in Kontakt käme.
Im allgemeinen wurde gezeigt, daß eine Verbesserung der Blutfluidität durch Hämodilution in verschiedenen Organen den mittleren Gewebe-PO&sub2; erhöht (Messmer et al., Res. Exp. Med. 159 (1973), 152-156) . Dieser Anstieg des Gewebe-PO&sub2; wurde einer gleichmäßigeren Verteilung der Durchblutung auf Mikrozirkulationsebene zugeschrieben und als verbesserte Gewebe-Oxygenierung interpretiert. Andererseits argumentierte Homer (Microvasc. Res. 22 (1981), 308-323), daß bei einer akuten Anämie große Unterschiede zwischen dem Erythrocyten-PO&sub2; und dem Plasma-PO&sub2; vorliegen können. Dies käme infolge der Diffusion des Sauerstoffs aus den Erythrocyten zustande, die auf dem Weg durch das Plasma verlangsamt wird (das eine sehr geringe Sauerstofflöslichkeit aufweist). Unter Hämodilution wird der Raum um die Erythrocyten in den Gewebekapillaren noch größer, so daß die Sauerstoffdiffusion aus den Erythrocyten nach außen durch die vergrößerte Diffusionsbarriere des Plasmas noch weiter verlangsamt wird. Der resultierende Gradient für PO&sub2; kann während der kurzen Zeit, in welcher der Erythrocyt in den Kapillaren verweilt, nicht ausgeglichen werden (d.h. es ist nicht genügend Zeit, um den gesamten Sauerstoff zu entladen) und demgemäß kann die O&sub2;-Extraktion herabgesetzt sein (Gutierrez, Respirat. Physiol. 63 (1985), 79-96).
Das Vorliegen eines weiteren O&sub2;-Trägers, z.B. einer Perfluorverbindung, im Plasma erhöht den gesamten O&sub2;-Gehalt im Plasmakompartiment des Bluts und kann die Diffusion von O&sub2; aus den Erythrocyten zu den Geweben erleichtern. Gemäß dem Modell (vgl. Figur 2) führt der Zusatz einer relativ kleinen Dosis (3 ml [2,7 g Perflubron]/kg Körpergewicht) einer hochkonzentrierten 90 % (Gew./Vol.) Perflubron-Emulsion zu einem signifikanten Anstieg des Gesamt-O&sub2;-Gehaltes im Plasma. Wenn dies während der Beatmung mit 100 % O&sub2; und in Gegenwart einer akuten normovolämischen Hämodilution (bis zu einem Hämatokrit von 25 %) erfolgt, würde das Nettoergebnls eine Verdopplung des Sauerstoffverbrauchs ergeben. Der normale Sauerstoffverbrauch würde vorzugsweise durch den O&sub2; aus dem Perflubron und dem Plasma gedeckt werden, da dieser O&sub2; physikalisch gelöst und daher leicht verfügbar ist (im Vergleich zu dem O&sub2;, der chemisch an Hämoglobin als Ligand gebunden ist). Der in den Erythrocyten transportierte, verbleibende O&sub2; würde somit ein verfügbares Reservoir an Extra-O&sub2; darstellen, das bei Bedarf weiteren Sauerstoffliefern könnte, wodurch verhindert werden könnte, daß die Sauerstoffabgabe in bestimmten empfindlichen Geweben ein kritisches Niveau erreicht.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß ein niedrigdosierter zellfreier Sauerstoffträger hinsichtlich der Gewebe- Oxygenierung besser geeignet ist als die zusätzliche Transfusion von Erythrocyten. Ein solcher Sauerstoffträger wird für die temporäre Steigerung der Sauerstoffabgabe während der akuten Phase der Operation eingesetzt. Keiner der zur Zeit verfügbaren Sauerstoffträger kann als wirksamer "Blutersatzstoff" angesehen werden, da ihre Verweilzeit im Kreislauf (Stunden) im Vergleich zu der von Erythrocyten (Monate) nur kurz ist. Eine routinemäßige Anwendung, insbesondere bei bestimmten unkomplizierten Operationen in Kombination mit Verfahren der akuten normovolämischen Hämodilution, hat zur Folge, daß seltener eine Transfusion erforderlich ist (d.h. der Auslöser für eine Transfusion ist reduziert). Hierdurch kann in vielen Fällen eine Transfusion von homologen Erythrocyten vermieden und dadurch das Risiko, daß mit der Transfusion Krankheiten übertragen werden, signifikant reduziert werden.

E. Beispiele

Beispiel 1

Steigerung der O&sub2;-Abgabe durch eine Perfluorkohlenstoff- Emulsion nach akuter Hämodilution bei Hunden

In diesem Beispiel wurde die Effizienz bestimmt, mit der die Sauerstoffabgabe durch eine 90 % (Gew./Vol.) Perflubron- Emulsion-Formulierung der Rezeptur I bei anästhesierten Mischlingshunden (n = 9) erfolgte, bei denen eine akute normovolämische Hämodilution durchgeführt wurde. Vier Kontrolltiere (denen 3,3 ml Ringer-Lactat pro kg Körpergewicht injiziert wurden) waren in der Studie enthalten. Allen Hunden wurde eine Bolusinjektion von Epinephrin verabreicht, um die Milz zu kontraktieren und die sequestrierten Erythrocyten vor der Hämodilution freizusetzen. Nach dieser Injektion und vor dem Beginn der Hämodilution wurden Messungen der Basiswerte des Herzzeitvolumens, des mittleren arteriellen Drucks, der Herzfrequenz, des Pulmonalarteriendrucks, des Pulmonalverteilungsdrucks, der arteriellen und venösen Blutgase, des Hämatokrits und des gesamten Blutsauerstoffgehalts durchgeführt. Während der Hämodilution (Beatmung mit Raumluft) bis zu einem Hämatokrit von etwa 25 % wurde jedes entnommene Blut-Aliquot unmittelbar nach der Entnahme durch drei Volumina Ringer-Lactat (R-L) ersetzt. Danach wurden Blutproben für die Messung aller Variablen entnommen. Sodann wurden die Hunde mit 100 % Sauerstoff beatmet und weiter bis zu einem Hämatokrit von etwa 10 bis 12 % hämodilutiert. Während dieser zweiten Hämodilution wurde das entnommene Blutvolumen durch 1 bis 1,5 Volumina eines Kolloids ersetzt, das aus Hundeplasma (entnommen während der ersten Hämodilution) bestand und mit einer Albuminlösung (5 % HSA in R-L) angereichert war. Danach wurden wieder Blutproben entnommen und alle Variablen bestimmt. Eine 90 % (Gew./Vol.) Perflubron-Emulsion mit der Zusammensetzung der Rezeptur 1 wurde bis zu einer Gesamtdosis von 3,3 ml [3,0 g Perflubron] pro kg Körpergewicht mit einer Rate von etwa 20 bis 30 ml/Min. injiziert und Blutproben in verschiedenen Zeitabschnitten in insgesamt drei Stunden entnommen.
Wie erwartet stieg das Herzminutenvolumen nach der Hämodilution signifikant, hauptsächlich wegen der Reduktion der Blutviskosität bei den niedrigeren Hämatokrit-Werten (Figur 3), und erreicht in den mit Perflubron-Emulsion behandelten Hunden sogar noch höhere Werte. Der gemischte venöse PO&sub2; war nach Infusion der 90 % (Gew./Vol.) Perflubron-Emulsionen im Vergleich zu den Kontrollen zu allen Zeitpunkten während des dreistündigen Überwachungszeitraums nach der Injektion signifikant höher (Figur 4).
Der durch den in der Perflubron-Emulsion gelösten O&sub2; beigesteuerte prozentuale Anteil an der gesamten Sauerstoffabgabe (DO&sub2;) betrug etwa 8 bis 10 %, während der durch den in der Perflubron-Emulsion gelösten O&sub2; beigesteuerte gesamte Sauerstoffverbrauch (VO&sub2;) etwa 25 bis 30 % ausmachte (Figur 5). Diese Werte nahmen aufgrund der Clearance der Perflubron-Emulsion aus dem Kreislauf (t1/2 = 5 Stunden, Figur 6) in drei Stunden langsam bis auf etwa 6 bzw. 22 % ab. Die Berechnung der Hämoglobin-Sättigung (aufgrund des Blut-pH-Werts, der Temperatur, der PCO&sub2;- und PO&sub2;-Werte) zeigte, daß der durch den Hämoglobin-transportierten Sauerstoff beigesteuerte prozentuale Anteil am gesamten Sauerstoffverbrauch (VO&sub2;) in den Kontrollhunden signifikant höher war als in den mit Perflubron- Emulsion behandelten Hunden (Figur 7), dies zeigt, daß das Vorliegen der Perflubron-Emulsion auf die noch in den Erythrocyten verfügbare O&sub2;-Reserve einen Spareffekt ausübte.
Obwohl die Erfindung bezüglich bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist der Umfang der Erfindung durch die folgenden Patentansprüche definiert und soll so verstanden werden, daß die Erfindung auch andere vernünftige gleichwertige Ausführungsformen umfaßt.

Claims

1. Verwendung einer biokompatiblen, synthetischen, Sauerstoff-transportierenden Flüssigkeit für die Herstellung eines Medikaments zur Steigerung der Sauerstoff-Abgabekapazität des Bluts eines Patienten, wobei ein Teil des Patientenbluts entnommen und aufbewahrt wird;

die biokompatible Flüssigkeit in ausreichender Menge intravenös verabreicht wird, so daß das Blutvolumen des Patienten erhalten bleibt;

der Patient nach der Verabreichung der biokompatiblen Flüssigkeit einen Blutverlust erleidet;

dem Patienten während des Blutverlustes mit Sauerstoff angereichertes Atemgas zugeführt wird; und das aufbewahrte Blut dem Patienten wieder verabreicht wird.

2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei die biokompatible Flüssigkeit ferner ein Hämodiluens umfaßt.

3. Verwendung nach An&pruch 1 oder 2, wobei der Sauerstoffträger von menschlichem, tierischem, pflanzlichem oder rekombinantem Hämoglobin stammt.

4. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sauerstoffträger eine Fluorkohlenstoff-Emulsion ist.

5. Verwendung nach Anspruch 2, wobei der Sauerstoffträger eine Fluorkohlenstoff-Emulsion ist und das Volumen des verabreichten Sauerstoffträgers weniger als 50 % des Volumens des Hämodiluens ausmacht.

6. Verwendung nach Anspruch 4, wobei die Fluorkohlenstoff- Emulsion eine Konzentration von mindestens 40 % (Gew./Vol.) aufweist.

7. Verwendung nach Anspruch 6, wobei die Konzentration der Fluorkohlenstoff-Emulsion mindestens 60 % (Gew./Vol.) beträgt.

8. Verwendung nach Anspruch 2, wobei das Hämodiluens ein Kristalloid, ein Kolloid oder eine Kombination daraus ist.

9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Blutverlust mit einer Operation zusammenhängt.

10. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Blutverlust mit einer Verletzung zusammenhängt.

11. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Menge des verabreichten Sauerstoffträgers zwischen etwa 0,5 und 10 g/kg, bezogen auf das Körpergewicht des Patienten, liegt.

12. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Konzentration des Sauerstoff-Atemgases etwa 50 bis 100 % beträgt.

13. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Menge der biokompatiblen Flüssigkeit etwa 75 % bis etwa 300 % des Volumens des im Entnahmeschritt entnommenen Bluts ausmacht.

14. Verwendung nach Anspruch 9, die ferner einen Schritt umfaßt, bei dem dem Patienten während der Operation eine zusätzliche Menge eines biokompatiblen synthetischen Sauerstoffträgers verabreicht wird.