科学网—人造红细胞！解决输血问题的理想技术
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2024-7-8 07:11
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“血色将至”，人造红细胞血液
模仿携带血红蛋白的细胞是获得血液替代品的关键吗？
150年前美国医学历史上曾经有一段非常荒唐的故事，就是用牛奶代替血液给失血的患者输入，这一过程持续了近10年。在19世纪的纽约市，妇科医生西奥多·盖拉德·托马斯享有不同寻常的名声。奇怪的是，原因竟然是牛奶。从1873年到1880年，将牛奶作为血液替代品注入体内这一大胆想法在美国各地进行了测试。托马斯是这一做法最直言不讳的支持者。
当时，严重出血往往意味着死亡。虽然有输血的实践，但这有点像是碰运气。医学科学距离发现血型还有30年的时间。接受不匹配血液的患者会遭受尿液变色、瘙痒，以及有时致命的并发症：溶血性休克，即他们自己的免疫系统攻击被输入的细胞。
美国的医生们正在寻找一种风险较低的方法来稳定大出血的患者。托马斯确信牛奶是答案。1875年，他给一位因切除癌变卵巢而遭受严重子宫出血的女性注射了175毫升牛奶。起初，他写道，患者“抱怨她的头感觉要爆炸了”。她很快出现了高烧和异常心跳加速，但一周后恢复了。托马斯随后进行了七次独立的牛奶输血，并在几份医学期刊上发表了他的研究结果，并预测了它们“光明且有用的未来”。
然而，事实并非如此：在接下来的十年中引入了盐水溶液，至今仍在使用，作为一种危险较小（尽管不完美）的紧急止血措施。
然而，对血液替代品的需求仍然存在。去年在巴尔的摩市中心的一个实验室里，一只白兔成为了最新希望的化身。
这只兔子蜷缩在一个黑色的金属笼子里，一根导管直接插入其颈动脉。几天前，它的部分血液被抽出并替换为一种名为ErythroMer的实验性血液替代品。这绝不是牛奶。这种由马里兰大学医学院（UMD）的一名戴着眼镜的61岁医师研究员艾伦·多克特及其同事开发的ErythroMer，是由“回收”的人类血红蛋白制成的——这是红血球中的一种蛋白质，负责将氧气从肺部输送到身体的其他部分——包裹在一层膜中以模仿微小的细胞。在这只兔子身上，输液似乎起了作用。附近一个小监视器上显示的心率和血压看起来都很正常。
多克特博士对基于血红蛋白的氧载体（HBOCs），正如ErythroMer及其前身更正式地所知，的倡导与托马斯对乳状输血的倡导一样热情。捐献的血液保质期只有42天。即使在拥有良好组织的捐血系统的发达国家，也远远不够：2022年1月，美国红十字会宣布了有史以来的首次全国血液危机，因为其供应量——尤其是珍贵的O型阴性血，即通用型——危险地降低。与此同时，由严重失血引起的出血性休克每年在美国导致约2万人死亡，全球则有200万人。
人工“血液”或许能填补这一空缺。在新鲜血液难以获得的情况下，如战场和农村地区（救护车等待时间有时高达45分钟），ErythroMer可以立即给予，以维持至关重要的氧气流向器官，直到有人到达医院。它是一种冻干粉末，可保存多年，只需简单与广泛可用的盐水混合即可重新配制。而且ErythroMer应该对所有血型都是安全的，因为它的膜不包括引起不匹配的红血球表面蛋白。
比自然更好吗？
几十年来的努力未能开发出一种好的氧气携带型红血球替代品。一种新的候选物质，ErythroMer，仍处于临床前测试阶段，但可能比真正的红血细胞更耐用、更多功能。
目前，美国还没有商用的人类血液替代品。“这里有一个真正的空白，我们无法为医院外流血至死的人提供血液，”多克特博士说，他是KaloCyte的共同创始人兼首席科学官，该公司希望将ErythroMer开发成商业产品。
去年，国防高级研究计划局（DARPA）宣布向一个由马里兰大学领导的联盟提供了4600万美元的资助，以开发一种以ErythroMer为核心的货架稳定、可部署于现场的全血替代品。“ErythroMer……因其对自然红血细胞功能的详细模拟而引人注目，”DARPA生物科技办公室的项目经理、前海军医疗官员让-保罗·克雷蒂安说。
纽约血液中心企业的副总裁兼研究主任卡琳娜·亚兹丹巴赫赞同这一观点，称这种候选血液替代品在创伤和其他紧急情况下的使用“有前景”。实际上，这家非营利性血液银行服务于并与数百家医院合作进行研究，在2022年对KaloCyte进行了未公开金额的投资。
到目前为止，多克特博士的创造仍处在动物测试阶段，但它不是唯一一个尝试将血红蛋白包裹在脂质中以制造可行的血液替代品的努力。日本的一个竞争产品已经在少数人身上进行了测试，并且通常看起来是安全的。
但这些新产品的成功远非有保障。仅仅20年前，早期HBOCs的配方在试验参与者死亡后被搁置或边缘化。随后的尝试并没有好多少。迄今为止最先进的HBOC，在南非和俄罗斯获批用于人体，因担心副作用而陷入困境。
模仿血液很难有一个很好的理由——它是一种复杂的自由分子和细胞混合物。你的血液中略超过一半是血浆，一种由水、蛋白质和盐组成的黄色液体。其余的是细胞物质，主要是血小板，对于切割或伤口后的凝固至关重要；白血细胞，用于对抗感染；以及红血细胞，不仅赋予血液番茄色，还携带输送氧气的血红蛋白。
没有其他细胞比红血细胞更丰富，这是一种中间凹陷的圆盘状细胞。这些细胞由骨髓以每秒200万的速度不断产生，每120天更新一次。在任何给定时间，都有30万亿个这样的细胞在身体2万公里的血管中穿梭。
DARPA项目还旨在开发合成血小板和冻干血浆。但最终目标是模仿血液强大的氧气载体。打开一个红血细胞，你会发现大约有2.6亿个血红蛋白分子。每个球形蛋白的中心都有一个含铁复合物称为血红素。血红素复合物捕获氧气，变成鲜红色并赋予血细胞它们的颜色。
美国军方正在资助学术研究人员和KaloCyte公司对ErythroMer进行进一步测试，目标是在未来几年内进行临床试验。MATT ROTH
早期的一类候选血液替代品尝试用称为全氟碳化合物的含氧化学物质来替代血红蛋白，这些物质广泛用于制冷剂和灭火器中。其中一种甚至在1989年获得了美国食品和药物管理局（FDA）的批准，用于手术中。但由于制造和管理的复杂性，加上各种副作用，这一产品最终被撤回。
这在很大程度上将该领域留给了HBOCs。红血细胞内的血红蛋白蛋白以四个一组的形式连接在一起，形成所谓的四聚体结构。早期的HBOCs通常试图复制这种聚合构造，但没有膜。然而，血红蛋白是一种棘手的分子，对组织和血管有毒。一方面，它携带氧气，氧气本身是一种氧化剂，在错误的地方可能会造成破坏。（想想苹果片变褐的情况。）“你不能只是把[血红蛋白]注入到血液中，”多克特博士说。
在过去的一个世纪里，接受未受保护的血红蛋白制成的血液替代品的患者出现了高血压、高代谢率和脉搏加快。在最糟糕的情况下，这些替代品引起了心脏病发作和肾功能衰竭，被认为是由于游离血红蛋白触发的血管收缩所致。但也有成功的迹象。
你不能只是把[血红蛋白]注入到血液中。
ALLAN DOCTOR
马里兰大学医学院
迄今为止最成功的未封装HBOC是Hemopure，于1990年代开发。它是通过从牛身上提取红血细胞，提取其血红蛋白，净化以去除病原体，并将四个蛋白质化学结合在一起形成四聚体来制成的。Hemopure早期获得了青睐，包括2001年在南非获得批准——在那里，HIV/AIDS危机使输血风险很高——用于治疗围手术期贫血。然而，迄今为止，它的使用主要是在常规输血不可行的情况下。
但是当《美国医学会杂志》(JAMA)在2008年发表了一项关于Hemopure和其他四种HBOCs的荟萃分析时，Hemopure的前景发生了转变。作者们得出结论，所有这些产品本质上对心脏有毒，接受这些治疗的患者比接受传统输血的患者死亡的可能性高出30%。
试验被停止，投资者惊慌失措，公司要么破产，要么完全停止开发HBOCs。一年后，Biopure（Hemopure的开发商）被另一家生物技术公司收购。近80岁的南非人Zaf Zafirelis，前Biopure的首席执行官，认为Hemopure受到了不公平的对待。
“这个产品，像其他所有东西一样，有一小部分副作用，”他说。“但它绝对不是有毒的。”Zafirelis坚持认为，通过将血液替代品的效果与标准护理程序（浓缩红细胞的输血）进行比较，荟萃分析错过了要点。
“第一个错误是称[HBOCs]为血液替代品，”他说。“没有任何人工产品能够真正、完全匹配真实的东西。我们能做的最好就是在骨髓能够产生更多红细胞之前，临时帮助患者。”
Vivosang, Inc.的首席科学官Kim Vandegriff补充说：“我们现在知道的足够多，可以预防这些产品相关的风险，将其用作一个有益的未满足医疗需求。”该公司正在开发自己的HBOC，由连接到聚合物聚乙二醇上的人类血红蛋白制成，聚乙二醇常用于帮助药物递送。
匹兹堡大学医学中心患者血液管理项目的负责人Jonathan Waters在过去十年中为那些因宗教原因拒绝输血的人或那些因频繁输血而出现反应的镰状细胞病患者使用了Hemopure。“我可以想到大概有10个患者，如果不是因为Hemopure，他们可能已经死了，”他说。
KaloCyte scientist Elizabeth Zheleznyakova uses a filtration machine to get rid of excess hemoglobin not encapsulated into ErythroMer.
ErythoMer would be shipped in a freeze-dried form with a 2-year shelf life.
Adding saline solution to a vial of freeze-dried ErythroMer creates a usable synthetic blood product.
2月份《输血》杂志上的一个病例报告描述了医生们无法为一名54岁的白血病女性找到合适的血液，她的血红蛋白水平已降至每分升2.5克，不到健康水平的20%。他们用17单位的Hemopure（4.25升）治疗她，并观察到她的血红蛋白水平稳定在每分升9.7克。
“我在四五个 耶和华见证会 患者身上使用过它，”明尼苏达大学的临床病理学家、美国血库中心首席医疗官Jed Gorlin补充说，该中心提供了大约60%的美国献血量。“有位女士进来时血红蛋白低于3。十单位后，这位女士醒来说，‘看？上帝照顾我们。’”
Zafirelis在2014年成立了一家新公司，获得了Hemopure背后技术的许可，并一直在尝试获得FDA的完全批准。但该机构同意的只是将其作为“调查性新药”，用于没有其他选择或拒绝捐人类血液的患者，如Waters和Gorlin的患者。（一个几乎相同的姊妹产品Oxyglobin在美国和其他国家获批用于宠物。）
截至5月，Zafirelis还在试图筹集资金来补充他新公司Hemoglobin Oxygen Therapeutics LLC的生产设施。
ErythroMer还没有临床成功案例，但现在它有了DARPA的数百万美元。Doctor相信， 通过更紧密地模仿自然并将分子像红血细胞一样封闭起来，它可以避免纯血红蛋白产品的毒性。
Doctor从未打算设计一种血液替代品。在21世纪初，当他还是弗吉尼亚大学的一名初级教员时，他在研究血红蛋白与一氧化氮之间的关系，一氧化氮是由血管内壁释放到血液中的一种气体。在其存在下，血管扩张，没有它则收缩。红血细胞控制其水平，因为像氧气一样，一氧化氮可以与血红蛋白结合。根据它们与组织之间的氧气交换，细胞要么吸收要么排出一氧化氮。
想象一个人正在做卧推运动 。首先，肌肉的氧气消耗增加；然后血流增加以维持组织的活动，并在停止后慢慢恢复正常。当红血细胞向工作的肌肉输送氧气时，它们也释放一氧化氮，使局部血管扩张，增加局部血流。锻炼结束后，红细胞不再释放大量氧气，它们与一氧化氮的关系逆转——它们开始吸收这种气体，它与细胞的血红蛋白结合，血管收缩。
血细胞模拟
由游离血红蛋白（Hb），血液的氧气载体组成的血液替代品可能具有毒性。因此，一些科学家将氧气载体封闭在一个膜中，像一个微型细胞。一种候选血液替代品ErythroMer，有一个工程化膜来帮助其在血管中的流动，并防止Hb从一氧化氮中清除，这是一种保持血管开放的气体。
吸气，呼气
就像红血细胞一样，ErythroMer使用一种叫做2,3-DPG的分子来调节Hb对氧气的亲和力。在肺部，2,3-DPG与ErythroMer膜中的一个合成pH感应分子KC1003结合，使Hb能够吸收氧气。在酸性更强的组织中，2,3-DPG被释放并附着在Hb上，促进氧气释放。
A. FISHER/SCIENCE
这种复杂的生化编排一直困扰着人造氧气载体的世界，导致了未封装HBOCs的许多副作用。在血浆中漂浮的自由血红蛋白可以吸收过多的一氧化氮，导致血管收缩，进而可能导致高血压，甚至心脏病发作或中风。《美国医学会杂志》在2008年发表的一项荟萃分析将这种血红蛋白与一氧化氮之间的相互作用指出为一个问题。
研究人员推测，一种能够封装血红蛋白的HBOC可以避免血管收缩问题，但没有人知道如何设计一个。然而，大约在2010年，现在宾夕法尼亚州立大学的纳米医学专家Dipanjan Pan，当时是华盛顿大学圣路易斯分校（WUSTL）的化学工程师，正在设计用于创新成像应用的脂质纳米颗粒，这些是由脂肪制成的微观膜。
正如Pan后来回忆的，这些纳米颗粒不仅类似于红血细胞的结构，而且“它们可以携带非常高负荷的血红蛋白。”此时，Doctor已经到达了同一所大学，并建立了一个实验室，研究各种疾病中的红血细胞以及细胞在储存后保持功能的能力。意识到Doctor的兴趣后，Pan给他打了个电话，讨论纳米颗粒的工作。
“一旦我理解了他们在做什么，我就变得很兴奋，”Doctor说。“我知道旧HBOCs的问题是它们在血浆中自由存在，我们需要找到一种方法来包裹[血红蛋白]。没有人曾经做得很好。”
两人联手开始开发他们的人造红血细胞。最终他们吸引了WUSTL的军事输血医学专家Philip Spinella加入。2016年，他们三人共同创立了KaloCyte——一个由希腊语中美丽的词和后缀cyte（意为细胞）组合而成的词。
像其前身一样，ErythroMer包含血红蛋白，在这种情况下是从过期的捐赠人类红血细胞中收集的。（Doctor承认，如果ErythroMer被广泛使用，供应可能会短缺，但他说他的实验室计划探索在重组酵母中制造血红蛋白。）但是研究团队用一个人工膜包裹回收的血红蛋白，该膜旨在模仿红血细胞控制氧气捕获和释放的方式。
主要由Pan开发的膜成分——总共有五种——包括一种名为KC1003的专有脂质，该团队开发它以响应局部pH值。它控制了2,3-DPG在人造血红蛋白包装内的可用性，2,3-DPG是一种在红血细胞中自然存在的小分子，通常与血红蛋白结合并调节其对氧气的亲和力。在肺部——pH值高的地方——ErythroMer的KC1003锁定2,3-DPG，允许血红蛋白捕获氧气；在外周组织——pH值低的地方——KC1003释放2,3-DPG，促进氧气从血红蛋白释放（见上图）。
“我们模仿了正常红细胞中优化从肺到组织的氧气运输机制，”Doctor说。一氧化氮仍然可以穿过人工膜并与内部的血红蛋白结合，但这样做非常缓慢。“主要的想法是不干扰红细胞与血管之间的信号传递，”他说。换句话说，目标是不打断正常的血管收缩和舒张模式。
血浆输注，就像二战中美国登陆奥马哈海滩时所展示的那样，可以帮助处理严重出血，但不像基于血红蛋白的血液替代品那样输送氧气。
ErythroMer仍处于测试的早期阶段。最新的临床前数据表明，在小鼠体内替换了70%血容量的ErythroMer能够有效输送氧气。而在兔子身上，当移除一半的血容量后，注入含有ErythroMer的液体使动物复苏，就像真正的血液一样。Doctor希望在DARPA资助结束前的4年内，对健康人类进行ErythroMer的初步安全测试。
KaloCyte的产品并不是唯一的封装血红蛋白。在日本，由化学家Hiromi Sakai领导的奈良医科大学团队通过将血红蛋白封闭在脂质囊泡中做了类似的工作。这些HbVs，或称为血红蛋白囊泡，比ErythroMer简单，没有其膜附加物，但该产品的开发进展更进一步。
2020年，一场疫情冠状病毒导致男性的第一阶段安全性试验提前终止，但初步结果似乎令人鼓舞。副作用包括皮疹和发烧，但这些是暂时的，参与者的生命体征没有临床上显著的变化。“这一发现表明，与第一代HBOCs相比，HbVs对心肌梗死的潜在风险较小，如果有的话，”Sakai及其同事在2022年的一篇研究信中写道。
其他创新想法仍在探索以替代红血细胞。一家名为Hemarina的公司正在开发一种利用海洋蠕虫血液中的自由血红蛋白的产品。
这些新的HBOCs中是否有任何一个能破解血液替代品的密码？至少有一位因该领域的失败而留下伤疤的专家表示怀疑。“一个包裹的血红蛋白可能会占据太多空间[在血管中]，并且携带的氧气不足，无法发挥作用，”华盛顿大学的实验室医学教授、退休的美国陆军上校John Hess说。他从1991年到2001年负责军队的血液产品开发项目。他在1997年停止了军队关于血红蛋白产品的工作。“我不是说不能有一个安全的HBOC，”他补充道。“我当然看不到实现这一目标的途径，并以此为基础关闭了军队计划。”
其他人看到了更多希望。“我们对这些产品如何工作的知识足够接近，只要有适当的资金支持，一个或多个产品将会上市，”Vandegriff说。“这仍然是一个高度未满足的医疗需求。”
毕竟，随着医生们开发出新的方法来帮助那些受到严重出血威胁的人，对紧急血液替代品的需求只会变得更加强烈。“实际上没有足够的O型阴性血供所有人使用，”Doctor说。“你需要的是货架稳定的、通用的供血者。”
他希望ErythroMer能证明像Hess那样的怀疑论者是错误的。现在，Doctor监测着他的兔子们的健康状况。
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