人造血液

沈羨云

“血荒”是人類的一個重要的醫(yī)學(xué)問題，世界各地的醫(yī)院每年需要大量血液，但全世界每年的獻血量根本無法滿足這一需求。而且，捐獻的血液還面臨各種風(fēng)險：血源中的HIV病毒、肝炎病毒等存在著傳染的可能；心臟搭橋手術(shù)的輸血過程中一旦出現(xiàn)小氣泡，將危及患者的健康；在患者需要高氧治療時，普通血液的攜氧能力又不盡如人意。人造血液正是在這些問題的推動下應(yīng)運而生的。

用人造血液替代人自身血液的想法產(chǎn)生于第一次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時戰(zhàn)場上傷員死亡率太高，其中重要原因是失血過多。此外，自從1900年發(fā)現(xiàn)ABO血型后，輸血既受到獻血者人數(shù)和獻血量的限制，也受制于血型，不同配型之間的輸血可造成患者的死亡。那時，很多科學(xué)家設(shè)想，如果能研制一種血液的替代品，而且不受血型的限制，就有可能挽救大量患者的生命，這成為人造血液研究的初衷。至今，科學(xué)家們已經(jīng)提出各種各樣的人造血液的方法，歸納起來主要有3種。

人工合成具有攜氧功能的氟碳化合物

說起這種方法，還有一個小故事。20世紀60年代，一次意外的契機和發(fā)現(xiàn)，啟動了人造血液從設(shè)想邁向現(xiàn)實的第一步。1966年初的一天，美國辛辛那提醫(yī)院兒科教授利蘭·克拉克及其助手在做一項生物化學(xué)實驗時，一只老鼠意外掉進了一種白色的氟化碳溶液中。當(dāng)時克拉克和助手們并不知道這個情況，幾小時后他們才發(fā)現(xiàn)那只可憐的小老鼠，不過它不僅沒死，還像魚一樣在白色溶液里活蹦亂跳。為了證實此現(xiàn)象的可靠性，克拉克再次把一只小鼠放進一個盛有全氟碳液體的燒杯中，使其浸沒在液體里。結(jié)果，過了幾小時老鼠居然還活著。克拉克認為可能是這種特殊的氟碳化合物能攜帶足夠的氧氣，而且沒有毒性，才維持了老鼠的生命。這一現(xiàn)象引起了克拉克的重視，他經(jīng)過仔細研究發(fā)現(xiàn)，氟碳化合物溶液的含氧量很高，比水多10倍，相當(dāng)于血液的兩倍多。于是，他立即聯(lián)想到，可以用這種溶液來制造人造血液。這一意外發(fā)現(xiàn)和啟示，立即轟動了全世界。

克拉克的發(fā)現(xiàn)，使科學(xué)家們茅塞頓開，紛紛投入以氟碳化合物為主的人造血液研究中。1968年，這個領(lǐng)域的研究園地綻開了第一朵鮮花：美國哈佛大學(xué)蓋耶教授做了第一個使哺乳動物在完全失血的狀態(tài)下存活的實驗。他制得一種全氟碳乳液后，抽去老鼠身上血液的90%，并用這種乳液取而代之。然后，把老鼠放進一個密封的玻璃罩里，并向罩內(nèi)加進氧氣。10分鐘后，老鼠便蘇醒過來，而且活了8個小時之久。這一實驗，證實了用氟碳化合物制造人造血液的可行性，也使科學(xué)家看到了人造血液研制的成功曙光。

1978年，日本醫(yī)生內(nèi)藤良一和其同事用全氟萘烷和全氟三丙胺的混合物作原料，經(jīng)乳化制得一種氟化碳化合物，并且在自己身上注射了200毫升，反應(yīng)良好。1979年4月3日，一位61歲的日本老人患胃潰瘍，吐了大量的血，需要手術(shù)。但是這位病人的血型極為罕見，醫(yī)院里沒有這種血型的血液。內(nèi)藤良一決定使用他們發(fā)明的全氟碳人造血。他們給病人輸注了1000毫升人造血，結(jié)果手術(shù)成功了，病人起死回生。1980年，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所和第三軍醫(yī)大學(xué)經(jīng)過5年努力成功研制人造血，于6月19日和6月30日在上海第一醫(yī)學(xué)院附屬中山醫(yī)院分別給兩位病人輸入，患者無任何不良反應(yīng)，并且都完全康復(fù)。2019年11月， 日本成功開發(fā)出了一種新型全氟碳人造血液，它是由全氟碳化合物組成的膠體超細乳劑，乳劑的顆粒直徑小于0.1毫微米；它對人體無害，在體內(nèi)64小時后，自動地通過肺部呼吸和尿液排出體外。

人工合成血紅蛋白

另一種人造血液方法是人工合成血紅蛋白，目前，血紅蛋白氧載體（HBOC）的人造血液研究方興未艾。HBOC與血液大致類似，呈暗紅色或紫紅色，由經(jīng)滅菌處理的血紅蛋白制成。血紅蛋白的來源有很多：來自過期的人類血液的紅細胞、牛血的紅細胞、可產(chǎn)生血紅蛋白的轉(zhuǎn)基因細菌、人類胎盤。但是，這些血紅蛋白都要經(jīng)過處理，不能直接輸入人體。因為，即便血紅蛋白進入人體可以起到攜帶和釋放氧氣的功能，但如果沒有細胞膜的保護，血紅蛋白的分解速度會非常快，而且還會產(chǎn)生副作用，如導(dǎo)致腎臟嚴重損傷、血壓升高、腹部不適和絞痛。因此，現(xiàn)在的HBOC大多使用比天然分子堅固得多的改進型血紅蛋白，或者給血紅蛋白包裹一層生物保護膜。

2013年，羅馬尼亞科學(xué)家研制出一種人造血液—由水、無機鹽以及一種深海昆蟲體內(nèi)提取的蚯蚓血紅蛋白合成的材料，可短時間替代血液實現(xiàn)氧氣和二氧化碳交換代謝。

美國一家醫(yī)藥公司開發(fā)的一款牛源血紅蛋白人造血產(chǎn)品“血純”，是從牛血中獲得的高純度、無病原微生物的牛血紅蛋白，再用戊二醛進行聚合，提升這種人造血液的性能，并降低其副作用。“血純”在常溫下保存期在3年以上，與各種血型都具有較高的兼容性，運輸氧氣的能力與正常血液相當(dāng)，但副作用發(fā)生率比輸正常血液高出約5%。

2019年，日本研究人員研制出一種改進型的人造血液，包含人造血小板和人造紅細胞，用一種叫作脂質(zhì)體的細胞膜成分制成非常微小的“袋子”，即直徑為250納米的血紅蛋白囊泡，然后分別往里面填入血小板和血紅蛋白。這種血液的進步是有了血小板，因此除了能供氧和排出二氧化碳外，還有凝血功能。

利用“無所不能”的干細胞

在研制人造血液的過程中，科學(xué)家們自然不會忘了幾乎“無所不能”的干細胞。從免疫學(xué)的角度來說，由造血干細胞培育出的人造血是最接近天然血液的代用品，因為它們本身是“原裝”的，更能適應(yīng)人的生理功能。

具體的方法是科學(xué)家從人的骨髓或人體晶胚中提取造血干細胞，在實驗室里將其“培養(yǎng)”“增殖”。然后，將大規(guī)模培養(yǎng)出的紅細胞輸入人體內(nèi)，補充人體的血液。科學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)雖然成熟的紅細胞不能自我復(fù)制，但其發(fā)育過程中的“半成品”—紅系祖細胞具有復(fù)制能力。他們發(fā)現(xiàn)有兩個基因?qū)t系祖細胞的復(fù)制和成熟發(fā)揮重要作用，在將這兩個基因?qū)胝T導(dǎo)多能干細胞和胚胎干細胞中后，成功培育出在實驗室中幾乎可以無限復(fù)制增殖的紅系祖細胞，并使它們成功分化為成熟的紅細胞。分化出的紅細胞中大部分都是胚胎血紅蛋白，與成人血紅蛋白不同，但研究人員證實這些血紅蛋白有攜氧能力，并能在輸血后在實驗鼠體內(nèi)循環(huán)。

一些科學(xué)家用誘導(dǎo)多能干細胞生成紅細胞來制造人造血。例如，2011年，來自法國巴黎的皮埃爾與瑪麗·居里大學(xué)的盧茨·杜艾團隊首次將用干細胞培育的血液輸入人體，并取得成功。杜艾團隊首先從一位志愿者的骨髓里抽取造血干細胞，然后利用一組“雞尾酒”混合生長因子激發(fā)這些干細胞與紅細胞相結(jié)合。在給這些人造細胞做標(biāo)記以供追蹤之后，他們把其中100億個細胞（相當(dāng)于2毫升血液），注射回捐獻者的體內(nèi)。5天后，至少94%的人造血細胞仍在這位捐獻者的體內(nèi)循環(huán)。26天后，41%～63%的血細胞仍然存活，天然血液的存活率也大抵如此。這些人造血細胞同天然細胞一樣能干，有效地將氧氣輸送至全身。盡管杜艾發(fā)布在醫(yī)學(xué)雜志《血液》上的這項研究成果是干細胞造血領(lǐng)域的一大進步，不過用這種方法大規(guī)模生產(chǎn)人造血還有很長的路要走，因為此實驗中的輸血量僅相當(dāng)于一名普通病人每次輸血量的1/200。

美國波士頓兒童醫(yī)院研究團隊的方法是先利用皮膚細胞生成人類誘導(dǎo)多能干細胞，把它們暴露在化學(xué)物質(zhì)中，形成一種能產(chǎn)生造血干細胞的胚胎細胞。其次是發(fā)現(xiàn)5種促使這些胚胎細胞變成造血干細胞的蛋白質(zhì)。然后，該團隊把造血干細胞移植到小鼠身上。幾周后，研究人員發(fā)現(xiàn)小鼠體內(nèi)產(chǎn)生了多種類型的人類血液細胞。這表明，那些移植的細胞正好發(fā)揮了人類造血干細胞的功能。

美國威爾·康奈爾醫(yī)學(xué)院的一支研究團隊利用血管內(nèi)皮細胞來培養(yǎng)造血干細胞。造血干細胞能分化成各種各樣的血液細胞。研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以提取血管內(nèi)皮細胞進行基因改造，使這些細胞更多地產(chǎn)生與造血干細胞功能有關(guān)的蛋白質(zhì)。然后，當(dāng)重新改造過的造血干細胞被移植到小鼠身上時，他們發(fā)現(xiàn)，小鼠體內(nèi)產(chǎn)生的各種血液細胞具有那些血管內(nèi)皮細胞的遺傳屬性。