人造血

人造血是一种用来代替红细胞的产品。虽然真血具有许多不同的功能，但人造血的唯一目的是将氧气和二氧化碳输送到全身。根据人造血的类型，可以使用合成生产、化学分离或重组生化技术以不同的方式生产。第一个血液替代品的开发可以追溯到 1600 年代初期，并且仍在继续寻找理想的血液替代品。各个厂家都有产品在临床试验；然而，目前还没有真正安全有效的人造血液产品上市。预计当一种人造血液产品问世时，仅在美国它的年销售额就将超过 76 亿美元。

背景

血液是一种特殊类型的结缔组织，由白细胞、红细胞、血小板和血浆组成。它在体内具有多种功能。血浆是由水、盐和各种蛋白质组成的细胞外物质，与血小板一起促进血液凝结。血浆中的蛋白质与空气发生反应并硬化以防止进一步出血。白细胞负责免疫防御。他们寻找入侵的生物体或材料，并尽量减少它们对体内的影响。

血液中的红细胞产生鲜红色。两滴血就含有大约 10 亿个红细胞。这些细胞负责将氧气和二氧化碳输送到全身。他们还负责“打字”现象。在这些细胞的膜上是身体识别为它自己的蛋白质。因此，一个人只能使用与其类型相容的血液。目前，人造血液产品只是为了替代红细胞的功能而设计的。将正在开发的产品称为氧气载体而不是人造血液可能会更好。

历史

只要患者因严重受伤而流血致死，就需要更换血液。根据医学民间传说，古代印加人负责最早记录的输血。直到 1616 年，威廉·哈维 (William Harvey) 描述了血液如何在全身循环时，血液替代品的开发才取得真正的进展。在接下来的几年里，医生们尝试了许多物质，如啤酒、尿液、牛奶、植物树脂和羊血作为血液的替代品。他们曾希望改变一个人的血液可以产生不同的有益效果，例如治愈疾病甚至改变性格。第一次成功的人类输血是在 1667 年完成的。不幸的是，这种做法被停止了，因为随后接受输血的患者死亡。

在多年来尝试作为血液替代品的不同材料中，只有少数取得了最小的成功。牛奶是最早的这些材料之一。 1854年，病人被注射牛奶来治疗亚洲霍乱。医生认为牛奶有助于白细胞的再生。事实上，给予牛奶作为血液替代品的足够多的患者似乎有所改善，因此得出结论认为这是一种安全合法的血液替代程序。然而，许多从业者仍然持怀疑态度，因此注射牛奶从未发现广泛的吸引力。它很快被丢弃并被遗忘作为血液替代品。

另一个潜在的替代品是盐或盐水溶液。在对青蛙进行的实验中，科学家们发现，如果将青蛙的血液全部取出并用盐水溶液代替，它们可以使青蛙存活一段时间。然而，这些结果有点误导，因为后来确定青蛙可以在没有任何血液循环的情况下存活很短的时间。经过大量研究，生理盐水被开发为血浆容量扩张剂。

1800 年代尝试过的其他材料包括血红蛋白和动物血浆。 1868 年，研究人员发现含有从红细胞中分离出的血红蛋白的溶液可以用作血液替代品。 1871 年，他们还研究了使用动物血浆和血液代替人类血液的情况。这两种方法都受到重大技术问题的阻碍。首先，科学家发现很难分离出大量的血红蛋白。其次，动物产品含有许多对人类有毒的物质。清除这些毒素在 19 世纪是一项挑战。

1883 年，随着林格溶液（一种由钠盐、钾盐和钙盐组成的溶液）的发明，人造血液的发展取得了重大突破。在使用青蛙心脏的一部分进行的研究中，科学家们发现通过应用该溶液可以使心脏保持跳动。这最终导致发现可以通过使用林格溶液来恢复因血容量减少引起的血压降低。当添加乳酸盐时，该产品演变成人类产品。虽然今天它仍然被用作血容量扩张器，但林格的解决方案并不能代替红细胞的作用，因此它不是真正的血液替代品。

卡尔兰德施泰纳

被称为免疫学之父的卡尔·兰德施泰纳是奥地利著名记者兼编辑利奥波德·兰德施泰纳和范妮·赫斯·兰德施泰纳的独生子。 Landsteiner 在维也纳大学接受教育，并于 1891 年获得医学学位。在医学院期间，Landsteiner 开始了化学实验工作，因为他受到了他的一位教授 Ernst Ludwig 的极大启发。在获得医学学位后，兰德施泰纳在接下来的五年里为埃米尔·费舍尔进行了有机化学的高级研究，尽管医学仍然是他的主要兴趣。 1886 年至 1897 年期间，他在维也纳大学卫生研究所研究免疫学和血清学，将这些兴趣结合起来。免疫学和血清学随后成为兰德施泰纳的终生重点。 Landsteiner 主要对输血缺乏安全性和有效性感兴趣。在他工作之前，输血是危险的且未得到充分利用，因为捐赠者的血液经常在患者体内凝结。 Landsteiner 对这样一个事实很感兴趣：当来自不同受试者的血液混合时，血液并不总是凝结。他相信血液中有内在的生化相似性和不同性。

他使用同事的血液样本，从血清中分离出血液中的细胞，并将红细胞悬浮在盐水溶液中。然后他将每个人的血清与每个细胞悬液的样本混合。在某些护理中发生凝血；在其他情况下没有凝血。 Landsteiner 确定，根据人类红细胞在不同血清存在下的凝血能力，可以将其分为不同的血型。他将他的血液分类命名为 A、B 和 O。第二年发现了第四组 AB。这项工作的结果是，可以预先对患者和献血者进行血型分析，从而使输血成为一种安全且常规的医疗实践。这一发现最终使兰德施泰纳获得了 1930 年的诺贝尔生理学或医学奖。

直到科学家们更好地了解血液的作用及其在体内的功能问题，输血研究才取得进展。第一次世界大战期间，使用含有半乳糖葡萄糖酸的树胶盐溶液来延长血浆。如果调整浓度、pH 值和温度，则可以设计这种材料以匹配全血的粘度，从而使医生可以使用更少的血浆。在 1920 年代，研究表明这种口香糖溶液对健康有一些负面影响。到 1930 年代，这种材料的使用已大大减少。第二次世界大战重新点燃了人们对血液和血液替代品研究的兴趣。人类捐献的血浆通常被用来代替血液，并使士兵免于失血性休克。最终，这导致了美国红十字会于 1947 年建立血库。

1966 年，小鼠实验提出了一种新型的血液替代品，全氟化合物 (PFC)。这些是类似于特氟龙的长链聚合物。结果发现，即使在浸入 PFC 后，小鼠也能存活。这让科学家产生了使用 PFC 作为血液稀释剂的想法。 1968 年，这个想法在老鼠身上进行了测试。大鼠的血液被完全去除并替换为 PFC 乳液。这些动物存活了几个小时，并在更换血液后完全康复。

然而，已建立的血库系统运作良好，对血液替代品的研究逐渐减弱。当越南冲突期间发现血库系统的缺陷时，它重新引起了人们的兴趣。这促使一些研究人员开始寻找血红蛋白溶液和其他合成氧载体。 1986 年发现艾滋病毒和肝炎可以通过输血传播，进一步推动了该领域的研究。

设计

理想的人造血液制品具有以下特点。首先，它必须使用安全且在人体内相容。这意味着在使用人造血液时，不同的血型应该无关紧要。这也意味着可以处理人造血液以去除所有致病因子，例如病毒和微生物。其次，它必须能够将氧气输送到全身并在需要的地方释放它。第三，它必须是货架稳定的。与捐献的血液不同，人造血可以储存一年以上。这与天然血液形成对比，天然血液在分解前只能储存一个月。有两种截然不同的产品正在开发中作为血液替代品。它们的主要区别在于携带氧气的方式。一种是基于 PFC，而另一种是基于血红蛋白的产品。

全氟化碳 (PFC)

正如建议的那样，PFC 是生物惰性材料，可以溶解比血浆多约 50 倍的氧气。它们的生产成本相对较低，并且可以在没有任何生物材料的情况下制成。这消除了通过输血传播传染病的真正可能性。从技术角度来看，在它们被用作人造血液之前，它们有两个重要的障碍需要克服。首先，它们不溶于水，这意味着要让它们发挥作用，它们必须与乳化剂结合——称为脂质的脂肪化合物，能够将全氟化学物质的微小颗粒悬浮在血液中。其次，它们携带的氧气比基于血红蛋白的产品少得多。这意味着必须使用更多的 PFC。这种类型的一种产品已被联邦药物管理局 (FDA) 批准使用，但由于提供益处所需的量太高，因此在商业上并未取得成功。改进的 PFC 乳液正在开发中，但尚未投放市场。

基于血红蛋白的产品

血红蛋白将氧气从肺部运送到身体的其他组织。基于血红蛋白的人造血液利用了这种自然功能。与溶解是关键机制的 PFC 产品不同，氧与血红蛋白共价结合。这些血红蛋白产品不同于全血，因为它们不包含在膜中，因此消除了血型问题。然而，不能使用未加工的血红蛋白，因为它会在体内分解成更小的有毒化合物。溶液中血红蛋白的稳定性也存在问题。创建基于血红蛋白的人造血液的挑战是修改血红蛋白分子以解决这些问题。使用各种策略来稳定血红蛋白。这涉及化学 人造血可以通过合成生产、化学分离或重组生化技术以不同方式生产。基于合成血红蛋白的产品由从 大肠杆菌 收获的血红蛋白生产 细菌菌株。血红蛋白在种子罐中生长，然后发酵。交联分子或使用重组 DNA 技术来生产修饰的蛋白质。这些修饰的血红蛋白在溶液中稳定且可溶。从理论上讲，这些修改应该会导致产品比我们自己的红细胞具有更大的携氧能力。预计这些产品中的第一个将在一到两年内上市。

原材料

根据制造的人造血液的类型，使用各种原材料。基于血红蛋白的产品可以使用分离的血红蛋白或合成生产的血红蛋白。

为了合成生产血红蛋白，制造商使用称为氨基酸的化合物。这些是植物和动物用来制造生命必需蛋白质的化学物质。有 20 种天然氨基酸可用于生产血红蛋白。所有氨基酸分子都具有某些化学特征。它们由氨基、羧基和侧链组成。侧链的性质区分了各种氨基酸。血红蛋白合成还需要特定类型的细菌以及培养它所需的所有材料。这包括温水、糖蜜、葡萄糖、醋酸、酒精、尿素和液氨。

对于其他类型的基于血红蛋白的人造血液产品，血红蛋白是从人血中分离出来的。它通常从使用前已过期的捐赠血液中获得。血红蛋白的其他来源来自用过的动物血液。这种血红蛋白与人类血红蛋白略有不同，使用前必须进行修饰。

制造
过程

人造血的生产可以通过多种方式进行。对于基于血红蛋白的产品，这涉及分离或合成血红蛋白、分子修饰，然后在人工血液配方中重新配制。 PFC 产品涉及聚合反应。下面概述了一种生产合成血红蛋白基产品的方法。

血红蛋白合成

• 1 为了获得血红蛋白，一株大肠杆菌 使用具有产生人类血红蛋白能力的细菌。在大约三天的过程中，蛋白质被收获，细菌被破坏。为了开始发酵过程，将纯细菌培养物的样本转移到含有生长所需的所有营养物质的试管中。这种初始接种导致细菌繁殖。当种群足够大时，它们被转移到种子罐中。
• 2 种子罐是一个大型不锈钢水壶，为细菌生长提供了理想的环境。它充满温水、食物和氨源，这些都是生产血红蛋白所必需的。还添加了其他生长因子，如维生素、氨基酸和微量营养素。种子罐内的细菌溶液不断用压缩空气沐浴并混合以保持其移动。当足够的时间过去后，种子罐的内容物被泵送到发酵罐。
• 3 发酵罐是种子罐的更大版本。它还充满了细菌生长和产生血红蛋白所需的生长培养基。由于 pH 控制对于最佳生长至关重要，因此需要时将氨水添加到水箱中。当产生足够的血红蛋白时，将罐清空，以便开始隔离。
• 4 分离从离心分离器开始，分离大部分血红蛋白。它可以使用分馏进一步分离和纯化。本标准 发酵后，血红蛋白被纯化，然后与水和其他电解质混合，制成可用的人造血液。柱分离法是基于沸腾液体以分离一种或多种成分的原理，并利用称为分馏塔的垂直结构。从该柱中，血红蛋白被转移到最终处理罐。

最终处理

• 5 在这里，它与水和其他电解质混合以产生人造血液。然后可以对人造血液进行巴氏消毒并放入适当的包装中。在整个过程中定期检查化合物的质量。特别重要的是经常检查细菌培养物。此外，还要检查成品的各种物理和化学特性，例如 pH 值、熔点、水分含量等。这种生产方法已被证明能够批量生产 2,640 加仑（10,000 升）。

未来

目前，有几家公司致力于生产安全有效的人造血液替代品。各种血液替代品都有一定的局限性。例如，大多数基于血红蛋白的产品在体内的持续时间不超过 20-30 小时。这与持续 34 天的全血输血相比。此外，这些血液替代品不能模仿血液对抗疾病和凝块的能力。因此，目前的人工血液技术将仅限于短期血液替代应用。未来，预计会发现在体内携带氧气的新材料。此外，应该开发更持久的产品，以及执行血液其他功能的产品。