人造血液

沈羡云

“血荒”是人类的一个重要的医学问题，世界各地的医院每年需要大量血液，但全世界每年的献血量根本无法满足这一需求。而且，捐献的血液还面临各种风险：血源中的HIV病毒、肝炎病毒等存在着传染的可能；心脏搭桥手术的输血过程中一旦出现小气泡，将危及患者的健康；在患者需要高氧治疗时，普通血液的携氧能力又不尽如人意。人造血液正是在这些问题的推动下应运而生的。

用人造血液替代人自身血液的想法产生于第一次世界大战期间，当时战场上伤员死亡率太高，其中重要原因是失血过多。此外，自从1900年发现ABO血型后，输血既受到献血者人数和献血量的限制，也受制于血型，不同配型之间的输血可造成患者的死亡。那时，很多科学家设想，如果能研制一种血液的替代品，而且不受血型的限制，就有可能挽救大量患者的生命，这成为人造血液研究的初衷。至今，科学家们已经提出各种各样的人造血液的方法，归纳起来主要有3种。

人工合成具有攜氧功能的氟碳化合物

说起这种方法，还有一个小故事。20世纪60年代，一次意外的契机和发现，启动了人造血液从设想迈向现实的第一步。1966年初的一天，美国辛辛那提医院儿科教授利兰·克拉克及其助手在做一项生物化学实验时，一只老鼠意外掉进了一种白色的氟化碳溶液中。当时克拉克和助手们并不知道这个情况，几小时后他们才发现那只可怜的小老鼠，不过它不仅没死，还像鱼一样在白色溶液里活蹦乱跳。为了证实此现象的可靠性，克拉克再次把一只小鼠放进一个盛有全氟碳液体的烧杯中，使其浸没在液体里。结果，过了几小时老鼠居然还活着。克拉克认为可能是这种特殊的氟碳化合物能携带足够的氧气，而且没有毒性，才维持了老鼠的生命。这一现象引起了克拉克的重视，他经过仔细研究发现，氟碳化合物溶液的含氧量很高，比水多10倍，相当于血液的两倍多。于是，他立即联想到，可以用这种溶液来制造人造血液。这一意外发现和启示，立即轰动了全世界。

克拉克的发现，使科学家们茅塞顿开，纷纷投入以氟碳化合物为主的人造血液研究中。1968年，这个领域的研究园地绽开了第一朵鲜花：美国哈佛大学盖耶教授做了第一个使哺乳动物在完全失血的状态下存活的实验。他制得一种全氟碳乳液后，抽去老鼠身上血液的90%，并用这种乳液取而代之。然后，把老鼠放进一个密封的玻璃罩里，并向罩内加进氧气。10分钟后，老鼠便苏醒过来，而且活了8个小时之久。这一实验，证实了用氟碳化合物制造人造血液的可行性，也使科学家看到了人造血液研制的成功曙光。

1978年，日本医生内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，经乳化制得一种氟化碳化合物，并且在自己身上注射了200毫升，反应良好。1979年4月3日，一位61岁的日本老人患胃溃疡，吐了大量的血，需要手术。但是这位病人的血型极为罕见，医院里没有这种血型的血液。内藤良一决定使用他们发明的全氟碳人造血。他们给病人输注了1000毫升人造血，结果手术成功了，病人起死回生。1980年，中国科学院上海有机化学研究所和第三军医大学经过5年努力成功研制人造血，于6月19日和6月30日在上海第一医学院附属中山医院分别给两位病人输入，患者无任何不良反应，并且都完全康复。2019年11月， 日本成功开发出了一种新型全氟碳人造血液，它是由全氟碳化合物组成的胶体超细乳剂，乳剂的颗粒直径小于0.1毫微米；它对人体无害，在体内64小时后，自动地通过肺部呼吸和尿液排出体外。

人工合成血红蛋白

另一种人造血液方法是人工合成血红蛋白，目前，血红蛋白氧载体（HBOC）的人造血液研究方兴未艾。HBOC与血液大致类似，呈暗红色或紫红色，由经灭菌处理的血红蛋白制成。血红蛋白的来源有很多：来自过期的人类血液的红细胞、牛血的红细胞、可产生血红蛋白的转基因细菌、人类胎盘。但是，这些血红蛋白都要经过处理，不能直接输入人体。因为，即便血红蛋白进入人体可以起到携带和释放氧气的功能，但如果没有细胞膜的保护，血红蛋白的分解速度会非常快，而且还会产生副作用，如导致肾脏严重损伤、血压升高、腹部不适和绞痛。因此，现在的HBOC大多使用比天然分子坚固得多的改进型血红蛋白，或者给血红蛋白包裹一层生物保护膜。

2013年，罗马尼亚科学家研制出一种人造血液—由水、无机盐以及一种深海昆虫体内提取的蚯蚓血红蛋白合成的材料，可短时间替代血液实现氧气和二氧化碳交换代谢。

美国一家医药公司开发的一款牛源血红蛋白人造血产品“血纯”，是从牛血中获得的高纯度、无病原微生物的牛血红蛋白，再用戊二醛进行聚合，提升这种人造血液的性能，并降低其副作用。“血纯”在常温下保存期在3年以上，与各种血型都具有较高的兼容性，运输氧气的能力与正常血液相当，但副作用发生率比输正常血液高出约5%。

2019年，日本研究人员研制出一种改进型的人造血液，包含人造血小板和人造红细胞，用一种叫作脂质体的细胞膜成分制成非常微小的“袋子”，即直径为250纳米的血红蛋白囊泡，然后分别往里面填入血小板和血红蛋白。这种血液的进步是有了血小板，因此除了能供氧和排出二氧化碳外，还有凝血功能。

利用“无所不能”的干细胞

在研制人造血液的过程中，科学家们自然不会忘了几乎“无所不能”的干细胞。从免疫学的角度来说，由造血干细胞培育出的人造血是最接近天然血液的代用品，因为它们本身是“原装”的，更能适应人的生理功能。

具体的方法是科学家从人的骨髓或人体晶胚中提取造血干细胞，在实验室里将其“培养”“增殖”。然后，将大规模培养出的红细胞输入人体内，补充人体的血液。科学家在研究中发现虽然成熟的红细胞不能自我复制，但其发育过程中的“半成品”—红系祖细胞具有复制能力。他们发现有两个基因对红系祖细胞的复制和成熟发挥重要作用，在将这两个基因导入诱导多能干细胞和胚胎干细胞中后，成功培育出在实验室中几乎可以无限复制增殖的红系祖细胞，并使它们成功分化为成熟的红细胞。分化出的红细胞中大部分都是胚胎血红蛋白，与成人血红蛋白不同，但研究人员证实这些血红蛋白有携氧能力，并能在输血后在实验鼠体内循环。

一些科学家用诱导多能干细胞生成红细胞来制造人造血。例如，2011年，来自法国巴黎的皮埃尔与玛丽·居里大学的卢茨·杜艾团队首次将用干细胞培育的血液输入人体，并取得成功。杜艾团队首先从一位志愿者的骨髓里抽取造血干细胞，然后利用一组“鸡尾酒”混合生长因子激发这些干细胞与红细胞相结合。在给这些人造细胞做标记以供追踪之后，他们把其中100亿个细胞（相当于2毫升血液），注射回捐献者的体内。5天后，至少94%的人造血细胞仍在这位捐献者的体内循环。26天后，41%～63%的血细胞仍然存活，天然血液的存活率也大抵如此。这些人造血细胞同天然细胞一样能干，有效地将氧气输送至全身。尽管杜艾发布在医学杂志《血液》上的这项研究成果是干细胞造血领域的一大进步，不过用这种方法大规模生产人造血还有很长的路要走，因为此实验中的输血量仅相当于一名普通病人每次输血量的1/200。

美国波士顿儿童医院研究团队的方法是先利用皮肤细胞生成人类诱导多能干细胞，把它们暴露在化学物质中，形成一种能产生造血干细胞的胚胎细胞。其次是发现5种促使这些胚胎细胞变成造血干细胞的蛋白质。然后，该团队把造血干细胞移植到小鼠身上。几周后，研究人员发现小鼠体内产生了多种类型的人类血液细胞。这表明，那些移植的细胞正好发挥了人类造血干细胞的功能。

美国威尔·康奈尔医学院的一支研究团队利用血管内皮细胞来培养造血干细胞。造血干细胞能分化成各种各样的血液细胞。研究人员发现，他们可以提取血管内皮细胞进行基因改造，使这些细胞更多地产生与造血干细胞功能有关的蛋白质。然后，当重新改造过的造血干细胞被移植到小鼠身上时，他们发现，小鼠体内产生的各种血液细胞具有那些血管内皮细胞的遗传属性。