人工血液概述及发展状况-

1、摘要长久以来，血液资源短缺，缺口大。在海啸，地震等灾难中，缺血是造成死亡的原因之一。因此，研究性能优良的人血液替代品成为了一个比较紧促的要求。人工血液是指具有血液功能（包括载氧功能，维持血液渗透压，维持血液酸碱度，扩充血容量）的人工制剂。目前，根据使用材料的不同，将人血液替代品分为碳氟化物和经化学修饰的血红素类。关键词：人血液替代品，碳氟化物，血红素AbstractThe shortage of the blood resource has been for a long time. It is also a main cause of death in tsunami. So it is v

2、ery urgent to develop artificial blood. Artificial blood is an artificial agent with blood function (including oxygen carrying capacity, maintenance of blood osmotic pressure, maintenance of blood pH, and expansion of blood volume).At present, according to the use of different materials, artificial

3、blood are devided into carbon fluoride and chemically modified heme.Key words: artificial blood, carbon fluoride, hemoglobin 目录摘要1Abstract11 人血液血液替代品的研究意义32 血液的简介33 人血液替代品综述43.1氟碳化物53.2 经化学修饰的血红素63.3基因重组型人工替代血液83.4 人血液替代品最新发展现状94感言10参考文献111 人血液血液替代品的研究意义输血是一种维持人体正常机能和救命的重要手段，已经被广泛应用于临床实践。然而在实际应用中，传统

4、的输血措施存在着较大隐患。首先是血型问题, 患者血型的测试昂贵耗时，在需要紧急治疗的情况下会延误时间；其次使血液保存时间短，一般4只有3个星期, 加上近年来献血者日趋减少 ,血库存血严重短缺，这一点已经对一个国家的战略安全造成严重威胁；更为严重的是，通过输血和其他血液制品造成的病毒传染1 。据估计，全世界每年献血量超过7亿5千万单位的捐献，而世界卫生组织191个成员国仅有43%对献血者进行艾滋病毒，丙肝病毒和乙肝病毒的检测；每年至少有一亿三千万单位捐献血液未对上述经血液传播的病毒进行检测；不安全的输血或注射导致每年8-16万人感染HBV,2.3-4.7万人感染HCV 。因此 ，制造一种安全 、

5、高效、并且能被迅速应用于紧急突发事件的人血液替代品已经成为一个紧迫的重要课题。人工血液可代偿性地取代人体血液携带氧气的功能把肺部呼吸的氧气输送到体内各个组织器官。美国是自二战以来对血液替代品研究投入最多的国家，先后有多家公司的产品进入临床。日本和加拿大也做了大量工作。我国有关人工血液的研究起步较晚， 且主要集中在血红蛋白基氧载体的研究上。2 血液的简介人体内的血液量大约是体重的 78，如体重 60 公斤，则血液量约 42004800 毫升。各种原因引起的血管破裂都可导致出血，如果失血量较少，不超过总血量的 10，则通过身体的自我调节，可以很快恢复；如果失血量较大，达总血量的 20时，则出现脉搏

6、加快，血氧含量下降、血压下降等症状；如果在短时间内丧失的血液达全身血液的 30%或更多，就会造成机体严重的缺血缺氧性损伤，直至危及生命。血液分静脉血和动脉血。动脉血在体循环（大循环）的动脉中流动的血液以及在肺循环（小循环）中从肺回到左心房的肺静脉中的血液。动脉血含氧较多，含二氧化碳较少，呈鲜红色。静脉血血液中含较多二氧化碳的血液，呈暗红色。注意并不是静脉中流的血是静脉血，动脉血中流的是动脉血，因为肺动脉中流的是静脉血，肺静脉中流的是动脉血。血液由血浆和血细胞组成。血浆相当于结缔组织的细胞间质，为浅黄色半透明液体，其中除含有大量水分以外，还有无机盐、纤维蛋白原、白蛋白、球蛋白、酶、激素、各种营养

7、物质、代谢产物等。这些物质无一定的形态，但具有重要的生理功能。血细胞分为三类：红细胞、白细胞、血小板。在机体的生命过程中，血细胞不断地新陈代谢。红细胞的平均寿命约120天，颗粒白细胞和血小板的生存期限一般不超过10天。衰老的红细胞虽无形态上的特殊变化，但其机能活动和理化性质都有变化，如酶活性降低，血红蛋白变性，细胞膜脆性增大，以及表面电荷改变等，因而细胞与氧结合的能力降低且容易破碎。衰老的红细胞多在脾、骨髓和肝等处被巨噬细胞吞噬，同时由红骨髓生成和释放同等数量红细胞进入外周血液，维持红细胞数的相对恒定。血红蛋白是高等生物体内负责运载氧的一种蛋白质(缩写为Hb或HGB)。是使血液呈红色的蛋白。血

8、红蛋白（hemoglobin；haemoglobin；Hb；HGB）每一血红蛋白分子由四分子的珠蛋白和四分子亚铁血红素组成，每个血红素又由4个吡咯环组成，在环中央有一个铁原子。氧气结合在铁原子上，被血液运输。血红蛋白的特性是：在氧含量高的地方，容易与氧结合；在氧含量低的地方，又容易与氧分离。图2亚铁血红素分子式图1血红蛋白三维构象 血液的功能可以简单地概括为以下几点:(1)血液的运输功能主要是靠红细胞来完成的。贫血时，红细胞的数量减少或质量下降，从而不同程度地影响了血液这一运输功能，出现一系列的病理变化。(2)血液是体液性调节的联系媒介。此外，如酶、维生素等物质也是依靠血液传递才能发挥对代谢的

9、调节作用的。(3)血液不断循环及其与各部分体液之间广泛沟通，故对体内水和电解质的平衡、酸碱度平衡以及体温的恒定等都起决定性的作用。(4)血液中的白细胞能吞噬并分解外来的微生物和体内衰老、死亡的组织细胞，血浆中的抗体如抗毒素、溶菌素等均能防御或消灭入侵机体的细菌和毒素。上述防御功能也即指血液的免疫防御功能，主要靠白细胞实现。此外，血液凝固对血管损伤起防御作用。3 人血液替代品综述人工血液也称人工替代血液，是利用和血红蛋白相同的加工处理方法，维持血压不变，在扮演搬运各种物质角色的白蛋白中放入血红素分子，制成白蛋白血红素，这就是人工血液，严格来说祇能取代人体血液携带氧气的功能，并无法取代白血球的免疫

10、功能与血小板的凝血功能。这种人工血液可把肺部呼吸的氧气输送到体内各个组织器官。目前，根据使用材料的不同，人工血液可分为全氟碳化合物、血红蛋白基氧载体、合成血红素及其高分子配合物三大类。全氟碳化合物虽大部分已退出人工血液市场，但因其具有治疗作用，研究工作仍在进行。为了降低血红蛋白基氧载体的副作用，已采用多种方法对血红蛋白进行改性，如采用化学修饰、微囊包裹 (HbV)、重组和仿生纳米等技术。其中，血红蛋白囊泡模拟红细胞的结构，其粒径相对较大(250nm) ，副作用相对较低，是目前血红蛋白基氧载体的发展趋势。人工合成血红素如栏式卟啉只溶于有机溶剂，为增加其水溶性，可使其与白蛋白、 木糖醇酶和环糊精等

11、高分子结合为配合物，经动物实验表明，这些高分子金属配合物在体内具有运送氧气功能7。理想的血液替代品除了能像血红蛋白一样具有携带氧气的功能外，还应该具备以下特点2：1） 无抗原性，无需交叉配血或相容性检验2） 运送氧气和二氧化碳的能力预天然血红蛋白相似3） 不与氧气发生化学反应，不激活补体，不升高白蛋白，不产生高价铁4） 无毒，不产生有毒代谢物5） 室温下稳定，可以长期储存 6） 能进行灭菌处理，不含有病原体3.1氟碳化物氟碳化物作为血液替代品的发现是一次偶然。1966年Clark 等发现，美国 3M 公司所制全氟碳化合物（perfluorocarbons， PFCs），对氧的溶解度约为水的 2

12、0 倍，携氧能力为血红蛋白的数倍，在氟碳化物 FC-80 中给以一个大气压的氧，小鼠得以生存。他们就想到，这个可以用作血液替代品。1967 年 Sloviter 等以白蛋白为稳定剂的全氟碳化合物乳剂对大鼠实行脑灌流成功。PFCs 的发展经历了两代产品：第一代临床PFC 是 Fluosol-DA-20，由全氟十氢萘( perfluorodecaline) (图4) 和全氟三丙基胺被 Pluronic(聚丙二醇与聚环 氧乙烷的三嵌段共聚物)表面活性剂乳化后得到的混合物，由日本Green Cross 公司生产8，是经FDA核准的血液替代品之一。氟碳化物（PFC）的化学结构类似铁氟龙（聚四氟乙烯），主

13、要是由碳原子与氟原子所组成。PFC通常是白色的，完全由人工合成。PFC具有化学惰性，但在携带溶解气体方面很出色。它们能够比水或血浆多携带20%至30%的气体，如果存在更多的气体，它们还能携带得更多,并且溶解于氟碳液体中的液体很容易被组织吸收2。PFC既油又滑，因此在使用时必须先进行乳化处理或悬浮在某种溶液中。PFC一般与通常用于静脉注射的其他药物混合使用，如卵磷脂或白蛋白。这些乳化剂最终会在离开血液循环系统时分解，肝脏和肾脏将其从血液中除去，肺会像呼出二氧化碳一样，将PFC呼出体外5。图4全氟十氢萘PFC的最大优势在于它的生产不依赖于过期的人血或其它生物来源的血液， 可大量生产。对于信仰宗教不

14、愿接受任何来源H b的人来说, 氟碳类无疑是最佳选择。但该产品也有一些缺点和副作用2,3。1）它只是一种氧气的溶解剂。使用时，患者必须呼吸70%-100%浓度的氧气，才能供给足够的氧气溶解量。2）循环时间短，故有效时间短，高浓度使用可使血粘度升高，使用的最大浓度有限。3）需要适合的温度和条件。4）输入时可出现急性和短暂的面色潮红和背痛，随之继发发热和寒战 5）激活补体系统和吞噬细胞 (第二代产品中尚未发现)。大剂量氟碳可导致肝淤血和短暂的免疫防御功能受损，患者此时有面临感染的危险。3.2 经化学修饰的血红素早期人们研究去除红细胞膜无基质的Hb，他可以通过过滤法除菌。但去除红细胞膜的无基质Hb虽

15、然有运输氧气的功能，但不能作为有效的血液替代品。因为血红素与氧分子的亲和力，与红血球内的一重要分子（2,3-DPG）有相当密切的关系。经由纯化过程所取得的血红素溶液，由于红血球被打破，造成 2,3-DPG 分子的流失，导致血红素对氧的亲和力过高，而降低了其在人体组织或器官中的释氧功能。同时它的循环时间短，对人体会产生毒副作用，如腹痛，血尿等。因此若以血红素为基质来制备人工替代血液，必须对纯化出来的血红素溶液做适当的物理或化学修饰，以符合人体的生理要求3。 图3 2,3-DPG （1）聚合型人工替代血液：又可分为分子内部交联型血红素、分子与分子间交联型血红素与共轭交联型血红素。分子内部交联型血红

16、素是指血红素分子内部的交联可以用 PLP（pyridoxyl 5-phosphate）分子代替 2,3-DPG 分子，做为修饰血红素对氧分子亲和力的交联剂。分子内部交联型血红素：血红素分子内部的交联可以用 PLP（ pyridoxyl 5-phosphate）分子代替 2,3-DPG 分子，做为修饰血红素对氧分子亲和力的交联剂。由于 PLP 和 2,3-DPG 对脱氧状态的血红素分子结合的位置相同，因此可以稳定其去氧结构，使血红素对氧的亲和力降低。这样的分子内部交联也同时稳定了血红素的四聚体结构，避免在人体血液循环过程中被快速分解掉，因此可以改善血红素分子在人体内滞留的半衰期。分子与分子间交联

17、型血红素是指分子内部交联后的血红素分进一步以另一交联剂将血红素分子与分子间交联起来。这样可以有效地增加其在人体血液循环中的半衰期达六至七倍。目前较常用的交联剂为戊二醛。共轭交联型血红素为利用交联剂将血红素分子以共价键结的方式键结在水溶性高分子链上，目的除了增加血红素分子的体积以减缓血红素分子由肾丝球体漏出外，亦可避免血液中其它蛋白质吸附，以降低人体免疫系统的攻击。聚合血红素最重要的就是控制其分子量分布及适当的携氧能力，较适当的分子量大小约在 20万40 万 dalton，以不超过 50 万 dalton 为佳，也就是相当于二至八个血红素分子聚合的大小。若聚合程度过高，则聚合后的血红素溶液黏度会

18、过大，导致血液流变性质的改变。若血红素分子聚合程度过低，则无法得到适当的携氧能力以及在人体内的适当半衰期。HBOC的主要不良反应包括以下几点：1） 血管活性体循环血压和肺动脉压升高。2） 肾毒性 大量无基质Hb的寡聚体经肾排泄堵塞肾小管，引起急性肾小管坏死。经化学修饰的无基质Hb在一期临床试验中未发现有肾毒性。3） 激活补体4） 消化道反应。引起肠道平滑肌细胞痉挛经检验，进行临床试验的绝大多数产品结果显示均不适合在临床上作为人工血液大规模应用9。这些问题归根结底来源于与人体红血球较大的尺寸和构造差异。越来越多的研究发现，血红蛋白基氧载体必须要有类似红细胞的结构和粒径10。只有采用同人体红血球相

19、近的细胞形态来设计红细胞替代物，才能更有效地发挥血红蛋白的氧传输功能，并减小其副作用。(2) 包覆型人工替代血液：用磷脂质经由乳化技术将血红素包覆起来，形成直径约 100200nm大小的血红蛋白囊泡（HbV），如此可以避免血红素在体内被快速分解掉，增加其在人体血液循环中的半衰期，且在人体胶体渗透压的限制下，可以有正常的血红素浓度。在包覆过程中同时也把 2,3-DPG 分子包覆在磷脂质里面，以调控血红素分子对氧分子的亲和力4。血红蛋白包裹形成囊泡是为了消除血红蛋白分子的毒性，其作用效果依赖于血红蛋白和脂质体的比率11。HbV 分子存在的问题与天然分子的组装和粒子的分散有关，例如粒径分布、蛋白的纯

20、化、高血红蛋白含量、血液的匹配性、 长期储存的稳定性和快速的降解性等问题12,13。其膜复合物的组分是红细胞的23 倍， 可在内皮网状细胞中迅速完全降解。然而，大剂量的 HbV 会引起暂时性的肝脾肿大和免疫反应的改变12。虽然有不利之处，但是，HbV 可以消除修饰血红蛋白的副作用，与其他血红蛋白基氧载体(如修饰的血红蛋白溶 液) 最大的区别是 HbV 的 P50 和流变学特性都可调整。HbV模拟红细胞结构的特征如下： (1) HbV 可被薄的双分子层包裹形成悬浮液，脂质体用来防止血小板和补体激活13，PEG修饰保证了其可在室 温 下储存2 年以上14。(2)250nm 的粒径大小适中；(3)

21、具有细胞结构的特性避免了血红蛋白分子所有的副作用15 ；(4) 磷脂血红蛋白囊泡具有选择性进入内皮网状系统降解的优势，这也是红细胞降解的场所16。 3.3基因重组型人工替代血液基因重组型人工替代血液：主要是利用基因技术，将血红素的 或 链的基因转殖到大肠杆菌里面，由大肠杆菌来表现，制造出血红素分子。利用基因技术可以改变 或 链上某些特定的氨基酸，例如将 链上第 108 个氨基酸，由原来的天门冬胺酸改变成离胺酸，可以使得血红素对氧的亲和力降低。第一代重组血红蛋白是Somatogen 克隆的人血红蛋白(rHb1.1, Optro),其结合氧的方式与红细胞血红蛋白相似9，具有有效的氧气运送功能。RH

22、b1. 1 进行了 期和 期临床实验，但存在许多如肺血管和系统性血管活性、血红蛋白外渗、血清酶等的增加以及血红蛋白与内毒素的反应等副作用9。第二代 rHb的研发 ( Baxter)是通过基因重组技术消除血红蛋白与 NO 结合产生的副作用， 通常采用定点突变的办法，合成许多血红蛋白变异体。利用基因重组技术可将四聚体血红蛋白进行交联，血红蛋白变异体可在空间上阻止Hb与 NO 的结合。临床试验表明，二代产品的安全性和有效性增加。3.4 人血液替代品最新发展现状2006年英国shelffield化学博士TWYMAN等报道了一种以卟啉铁（）为中心的高度分支的聚乙二醇，其大小和形状与天然Hb相似。这种Hb

23、分子类似化合物在体外研究显示能可逆的结合释放氧气5次以上。 2011年，英国科学家利用干细胞制造的人造血液可能在两年内在人类身上试用。据悉，这种人造血不会感染，并可适用于所有血型的人员。2011年，巴黎第六大学吕克杜埃的团队用这种红血细胞，对人类志愿者实施了第一例少量输血手术。这些细胞能像普通的红血细胞一样正常工作，在输血26天后，仍有大约50%的细胞在血液中循环。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。与人血红蛋白相比，蚯蚓血红蛋白与氧化性物质反应为阴性( 过氧化氢、一氧化氮、亚硝

24、酸盐)。将蚯蚓血红蛋白用 PEG 和戊二醛聚合交联，限制了其从血管溢出和降低其抗原性，具有一定氧结合力和自动氧化能力， 被认为具备血液替代品的性能。这一成果如果得以成功推广应用，则有望缓解血库的供给短缺，甚至避免血液污染的风险，同时通过化学修饰，实现对气体的高溶解度，避免气泡的产生，大大提高输血的适用范围和临床功效。2013年12月，日本研究人员成功利用干细胞培育出能够携带氧的红细胞，在此基础上有望大量培育用于输血的红细胞，帮助医疗系统缓解用血紧张状况。2015年6月25日，英国国家医疗服务系统血液与移植部门宣布将于2017年启动人造血液制品的早期临床试验，其中的“人造血液”，指的就是通过造血

25、干细胞在实验室中体外培养得到的红细胞。4感言人工血液可代偿性地取代人体血液携带氧气的功能把肺部呼吸的氧气输送到体内各个组织器官。近年来，由于战争、严重自然灾害、恐怖事件等原因，对血液代用品的需求巨大，仅靠血库供血难以满足需求。全世界每年要输三千万单位血液，由于血液供给不足，在未来 30 年里每年约缺四百万单位血液。同时面对输血传播疾病带来的恐惧，有学者提出“无血医学”的倡仪，即通过跨学科的合作尽量避免输异体血。血液代用品的出现无疑是无血医学倡导者的又一选择。人血液替代品在解决血资源短缺的问题方面有着极大地潜力。人工血液的成功开发，如同人类登月一样意义重大。经过多年努力，人工氧载体的研究已经有长

26、足进步。虽然人工血液存在着不足，但他的潜力却很大。随着科技的发展，新材料的不断出现，人血液替代品的性能越来越好。人工氧载体的发展趋势可以概括为以下两点：一是利用纳米微球技术， 将血红蛋白包裹形成纳米微球， 使其更适合用作人工氧载体；二是尽可能选用低毒甚至无毒， 且可生物降解和具有生物相容性的材料。进一步克服其局限性。拓宽临床应用是人血液替代品科研工作者以后要努力地方向。参考文献1 黄宇彬，小松晃之，土田英俊 应用化学,2004,21(11):0-02 Squires JE. Artificial blood. Science 2002 295(5557):1002-10053王翔，高玮，杨力-

27、自主创新与持续增长中国科协年会-20094贾永会，童名容。化学修饰血红蛋白的研究概况 J。离子交换与吸附1995,11(2):182-1875Chang TM, .Modified hemolobin blood substitutes: present status and future perspectivesJ. Biohechnol annuRev 1998,4:75-1126TWYMAN L J，GE Y Porphyrin cored hyperbranched polymers as heme protein models JChem Commun( Camb) ，2006,15( 15) :1658 16607殷晓春, 王荣民, 何玉凤,等. 人工氧载体研究