1. Természetes sejtmentes hemoglobin

A vérkészítmények alapvető feladata a különböző szövetek oxigénnel való ellátása. Mindez magával a hemoglobin fehérjével is megvalósítható, az őt tartalmazó vörösvértestek jelenléte nélkül. Ezen egyszerű ok miatt a legelső vérpótló készítményeket a sejtmentes hemoglobin kivonatából állították elő.

A hemoglobinmolekula 4 alegységből épül fel. Minden alegység polipeptidláncból és hemből, egy vastartalmú porfirin származékból áll. A tetramert két-két azonos polipeptid alkotja ('a' és 'b' lánc). A hemoglobinban a vasatom két vegyértékű, ehhez kötődik reverzibilisen az oxigénmolekula. Artériás vérben, meghatározott fiziológiás körülmények között a hemoglobin féltelítettségét a P50-es értéken éri el. Ez a nevezetes érték 26 Hgmm nyomásnak felel meg.

A hemoglobin oxigénaffinitását több tényező is jelentősen befolyásolja: a polipeptidláncok primer szerkezete és aktuális konformációs állapota, illetve a vérben oldott oxigén parciális nyomása.  Ezek mellet a megnövekedett pH, és a lecsökkent hőmérséklet illetve a 2,3-difoszfoglicerát mennyiség növeli a hemoglobin oxigénkötő képességét. Utóbbi a vörösvértestekben specifikusan lejátszódó glikolízis végterméke.  Ezen bonyolult, leginkább sejtben lejátszódó folyamatok ellenére, a hemoglobin molekula önmagában képes oxigén szállítására, a vörösvértestek mesterséges eltávolítása után is. Előnye pedig, hogy nem rendelkezik antigén jelleggel, szemben a vörösvértestekkel, így közvetlenül átvihető egyik egyedből a másikba.

Részletesebb kutatások beszámoltak számos korlátozó tényezőről a natív hemoglobin esetében: a relatív oxigénaffinitás túl magas volt, hogy megfelelően oxigenizálja a szöveteket; a vérben mérhető féléletideje pedig túl alacsony, illetve dimerekre való disszociációja toxikusnak bizonyult a kiválasztó szervrendszerre nézve. Korai állatkísérletek további mellékhatásokról is beszámoltak. A natív hemoglobin transzfúzió hiperozmolaritást és hipertenziót okozott. További kutatások ezen problémákat próbálták áthidalni a különféle hemoglobin módosításokkal.

A hemoglobin molekula két peptidlánca között kovalens kötéseket lehet létrehozni, majd glutáráldehiddel polimerizálni lehet ezt a szerkezetet. Az így kialakult térhálós konformáció alacsonyabb P50-értékkel, és magasabb féléletidővel rendelkezik a vérben.

A natívan bejutatott hemoglobin molekula használatánál felmerült a vazokonstrikció problémája. A polimerizált hemoglobin méreténél és konformációjánál fogva nem képes átjutni a szubendothéliumba, és egyéb óriásmolekulával alkotott konjugátum formájában biztonságosan használható.

A Hemolink (Hemosol Inc., Kanada) polimerizált hemoglobin készítmény, amelyet raffinóz felhasználásával készítenek el humán hemoglobinból. Az Amerikai Egyesült Államokban (USA) jelenleg a II. gyógyszerkutatási fázisban tart a tesztelése, Kanadában pedig hatásosnak bizonyult az alkalmazása szívműtétek során.

A Hemopure (Biosol, Cambridge) állati hemoglobin keresztkapcsolt és polimerizált változata, a Polyheme (Northfield Laboratories) pedig humán hemoglobinból készül. Mindkettőt sikeresen használták mellkasi és abdominális beavatkozások során az általános használt transzfúzió helyett.

Az Oxyvita (University of Maryland) nevű hemoglobin készítményt új eljárás keretében állítják elő. Lizin oldalláncokhoz aktivált karboxil csoportot kapcsolnak, így egészen nagy makromolekulát lehet készíteni, a molekulasúly számottevő növekedése nélkül. Legnagyobb előnye, hogy beadása után közvetlen vérnyomás emelkedést nem tapasztaltak.

3. SOD és CAT kapcsolt hemoglobin

A sejtmentes hemoglobin származékok kizárólag oxigén transzporterként funkcionálnak, így hiányoznak azok az enzimrendszerek, amelyek az esetlegesen keletkező oxidatív gyököket eliminálni képesek. A szövetek megfelelő oxigénellátásának hiánya iszkémiához vezethet. Ilyen állapot következik be például agyvérzés, szívinfarktus és szervátültetés esetén. Többek között megnő a xantin oxidáz enzimaktivitása, amely reperfúzió során szuperoxid gyököket állít elő. A vörösvértestekben működő szuperoxid-diszmutáz (SOD) és kataláz enzim (CAT) fordított folyamatot katalizálja, eliminálja a reaktív gyököket vízzé és oxigénné. Tekintve, hogy a sejtmentes oxigén karrierek nem tartalmaznak ilyen enzimeket, alkalmazásukkal növekszik az iszkémia-reperfúziós károsodás mértéke.

Tanulmányok beszámoltak CAT és SOD kapcsolt polihemoglobin konjugátumokról, amellyel csökkenteni tudták a szabadgyökök illetve a felszabaduló pro-oxidáns hem mennyiségét. A PolyHb-SOD-CAT forma jelenleg preklinikai tesztelés és kiértékelés alatt áll (Synzyme Technologies, USA).

4. Rekombináns hemoglobin

A DNS manipulációs eszköztár fejlődésével lehetővé vált rekombináns hemoglobin megtermeltetése mikroorganizmusok által. Nagy előnye, hogy a rekombináns hemoglobin szerkezetét tekintve homogén és stabilabb, szemben a polimerizált és enzim-kapcsolt Hb-val.

5. Enkapszulált hemoglobin

1950-es évektől kezdve kísérleteznek a mesterséges vörösvértestek előállításával, amelyben mintegy becsomagolva a hemoglobint biztonságosabbá válhat a használata. Nagymértékben hasonló a liposzómába csomagolt Hb ötlete, amely így vizes fázisban oldhatatlan. A hemoglobin mikrokapszulázása számos lehetőségét felveti a különböző antioxidáns enzimek együttes bejuttatásának.