Realizó sus estudios de medicina en la Universidad de Viena, y obtuvo el doctorado en 1981. Completó su formación científica en Zurich, regresando a Viena en 1896 con una amplía y sólida preparación, donde trabajó en el Instituto de Higiene, y desde 1898 a 1908 en el Instituto de Patología. Entre 1909 y 1919 ejerce la docencia como profesor de la Universidad de Viena. Tras la primera Gran Guerra, se trasladó a Holanda donde ocupó una plaza de patólogo hasta 1922, fecha en la que se trasladó al Rockefeller Institute for Medical Research de Nueva York. Allí, prosiguió su labor científica durante más de veinte años, y tras su jubilación, permaneció ligado al Instituto como miembro emérito.
Sus investigaciones se centraron en anatomía patológica y patología experimental, serología e inmunología. En 1930 le fue concedido el Premio Nobel de Medicina y Fisiología por su descubrimiento de los grupos sanguíneos en la especie humana, logro científico de excepcional importancia clínica. Los primeros resultados de esta indagación los obtuvo en 1900, llegando poco después a la individualización inicial de tres grupos, basándose en su comprobación de que la sangre humana contiene isoaglutininas capaces de aglutinar la sangre de otros seres humanos (Zur Kenntniss der antifermantativen, lytischenund agglutinierenden Wirkungen der Blutserums und der Lymphe. Zentralblatt für Bakteriologie; 1900, 27, 357-62). Para ello, primero separaba el suero de la sangre total, después lavaba los glóbulos rojos y los sumergía en una solución de suero salino fisiológico. Finalmente, ensayaba cada suero con los diferentes glóbulos rojos obtenidos y tabulaba los resultados.
Dos años más tarde, dos discípulos suyos, Alfredo de Castello y Adriano Sturli, descubrieron un cuarto grupo, al que llaman AB. Estos anticuerpos o isoaglutininas (que no existen en el tipo AB) son las responsables de la incompatibilidad de las transfusiones sanguíneas si no se selecciona la sangre a transfundir del donante. En 1940, junto con Alexander Salomon Wiener, descubre otro antígeno en los hematíes al que bautiza como factor Rh, por haberse hallado en el suero de conejos inmunizados con sangre procedente del macaco Rhesus (Macaca mulatta).
Gracias a sus trabajos pioneros en inmunohematología se estableció la compatibilidad sanguínea entre las distintas sangres de los seres humanos, lo que hizo posible las transfusiones sanguíneas seguras basadas en criterios científicos, evitando los temibles accidentes postransfusionales (hemólisis o destrucción de los glóbulos rojos y lesiones renales) por falta de compatibilidad sanguínea. El hallazgo de Landsteiner permitió establecer sobre fundamentos seguros y racionales la práctica de la transfusión. Se hizo por primera vez en 1906, con el método de transfusión arteria-vena, y en 1913, con tubos parafinados. La observación del efecto anticoagulante del citrato sódico hecha en 1914 por A. Hustin y L. Agote hizo posible la transfusión de sangre conservada.
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