2008年4月17日星期四

寻找血液代用品

寻找血液代用品

 

 

  全球血液短缺的威胁以及对血液污染的恐惧加快了人们尝试探求维持生命的可替代物的步伐。文中讨论的几种化合物有相当大的希望成为血液代用品。

 

  作者:玛丽·L·努奇  亚伯拉罕·阿布乔夫斯基

 

 

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0世纪80年代中期,血液成了一个不好的名词。关于HIV病毒(人类免疫缺陷病毒,human immunodeficiency virus,可导致艾滋病)能够通过输血进行传播的报道引起了公众的全面恐慌,并导致了美国新一轮大规模血库审查程序的确立。一些国家(包括法国)的某些医师坚持认为血液供应是安全的,但很可悲的是血液供应并不安全。结果,恐惧并没有减轻。虽然通过血液输送的途径感染HIV病毒的几率介乎四十五万分之一与一百万分之一之间,但在人们的观念中大部分血液都可能携带病毒。

血液的这种坏名声(尽管不该被冠以这种名声)是现今血库所面临的两个主要难题之一。难题之二体现在供应方面。在美国,几乎每三秒钟就有一个人需要输血,而血液捐献者的数量则在持续减少:全国人口中目前只有不到百分之五的人在捐献血液。与此同时,长年以来最需要输血的人群——老年人的数目正在增长。虽然估计值各有不同,但是这些数值显示全世界每年的血液需求都比上一年增加750万升;专家预计,到2030年美国每年的血液缺口将达到400万单位(每500毫升为一单位)。

  出于对上述因素和一些其他因素的考虑,寻找血液代用品的竞赛已经开始。虽然早在20世纪50年代便有研究人员在调查寻找血液代用品的可能性,但是此种努力得到加倍还是在20世纪80年代美国食品药品管理局(the Food and Drug Administration)、国立卫生研究院(National Institutes of Health)以及国防部(Department of Defense)就研究此类化合物召开大型会议之后。几所研究院和六家公司的科学家们已经在研制血液的代用品。但尽管研究的进展和希望很大,他们面临的挑战依然艰巨。已经深入进行了10年的研究至今仍未获得理想的结果。毕竟,这些研究者们(包括我们自己)试图理解并制造的是生命的本质。

 

问题的关键

液本身就像寻找其代用品所面临的挑战一样复杂。它由悬浮在血浆(plasma)中的血液细胞(blood cells)、盐分(salts)以及蛋白质(protein)和维生素(vitamins)等其它物质组成。三种血液细胞——红细胞(red cells)、白细胞(white cells)和血小板(platelets——约占血液总量的45%:通常,1立方厘米的人类血液含有450-550万个红细胞、7000-12000个白细胞以及150000-400000个血小板。

  这种细胞及化合物组成的混合物能够完成数不清的任务:血液负责输送营养成分、荷尔蒙(hormones)和废物;血液保卫身体免受感染;血液还能够凝结以防止血液的流失。但是,人们最为熟悉的血液功能还要数它在呼吸作用中所扮演的角色还有它对氧气及二氧化碳的吸收和释放。血红蛋白(protein hemoglobin)是这个过程的关键因素(每个红细胞中含有2亿5千万个血红蛋白分子)。

  血红蛋白是血液中最常见的蛋白质,大部分脊椎动物的血液中都含有血红蛋白,并且这一特性在进化过程中被保留了下来——也就是说,不同物种的血红蛋白都惊人地相似,通常都是由四条多肽链(polypeptide chains)组成。在人类血液中,血红蛋白包含两条相同的α链和两条相同的β链,每条链长约140个氨基酸(amino acid)。一条α链紧紧缠绕在一条β链上,形成一条二聚物(dimer);两条α-β二聚物再以不紧密地方式缠绕在一起,形成四聚物(tetramer)。

  这些多肽链中每一条都包含一个原血红素单位(heme unit),而每一个原血红素单位中则又含有一个铁分子。血液所吸附的氧气便存在于这些铁分子上;因此每一个血红蛋白分子都能够吸附4个氧分子。血红蛋白在肺部吸附氧分子,并向全身输送氧气。血红蛋白分子能够吸附的氧分子越多,它就越能熟练地吸收氧气。这是因为,血红蛋白分子每吸附一个氧分子,其形状便会改变;形状结构的改变使血红蛋白分子向更多的氧分子完全开放,直至4个铁分子载满氧分子。一旦血红蛋白中的氧气被释放到身体的各个部位,红细胞便开始搜集二氧化碳——一种细胞呼吸作用产生的废物。二氧化碳由血液承载到达肺部,并被从血液中释放出来,最终被呼出。

  血红蛋白也能够吸附其他气体。比如,研究人员最近发现血红蛋白还能够运送一氧化氮(nitric oxide)。一氧化氮有许多作用,但其中最重要的作用便是维持血压稳定。从而,血红蛋白就起到了一个及其重要的运输作用,输送对人体和血液自身功能顺利发挥都必不可少的气体。

 

生命源泉

显然,重度失血将危及到许多重要机能。如果人失血30%40%,人体能够通过迅速产生红细胞、从不重要的器官调集血液、排出液体参加血液循环以恢复血量等方式弥补血液流失。但是,考虑个人年龄和健康状况,假如一个人失血超过40%,那么通常情况下是需要输血的。

  输血的历史很悠久,却又有几分令人捉摸不透。几世纪以来,人们对许多种液体进行了输液试验,其中包括浓啤酒、尿液、罂粟汁、植物脂、牛奶以及羊血。1667年,路易十四(Louis XIV)的一名医师让-巴普蒂斯·但尼(Jean-Baptiste Denis)完成了第一个有文献记载的、在人类之间进行的成功输血案例。而就在一位输血患者的妻子控告但尼之后,法国明令禁止进行输血的活动——不久之后,罗马和英格兰也明令禁止输血。然而,那位患者并非死于输血,而是被自己的妻子用砒霜(arsenic)毒死。但不管怎么说,输血的名声遭到了玷污。这种名声或许情有可原,因为在已经施行的输血案例中,导致死亡的几率差不多和延续生命的几率一样大。

  医学上对输血研究兴趣直到20世纪初才真正再度觉醒;就在这一时期,美籍奥地利病理学家卡尔·兰德施泰涅(Karl Landsteiner)发现了ABO血型系统(the ABO blood group system)并极大地促进了输血的成功进行。兰德施泰涅发现,两种糖被(称之为AB)能够依附在红细胞表面,并且每一个红细胞上都有(或缺少)这两种糖被的某种组合。如今,医生们知道这样的组合有四种,由此也就得到了四种血型(blood types)。如果在输血中不同的血型混杂在一起,患者血流中的抗体(antibodies)就会对献血者红细胞表面的糖被(称为抗原,antigens)产生排斥反应。这种排斥反应能够产生微小的凝结血块,导致血球溶解(hemolysis,此时血红蛋白从红细胞中渗出),并最终导致患者死亡。

  因此,血型的配对必须十分精确。A型血只能够输给A型血或AB型血的人;B型血只能够输给B型血或AB型血的人;AB型血只能够输给另一个AB型血的人。O型血中既没有A型抗原,又没有B型抗原,则可以输给任何血型的人——这就使得O型血的人成为万能献血者(universal donors)——但是O型血的人只能接受O型血。最后,AB型血的人是万能受血者(universal acceptors):他们可以接受A型血、B型血、AB型血或是O型血。

  血型分类还必须将Rh血型考虑在内。20世纪40年代,研究者们通过对恒河猴(rhesus monkeys)的研究发现,血液中可以含有一种Rh抗原,血液在这种情况下被称为Rh+。如果血液中不含有Rh抗原,这种血液则被标记为Rh-Rh+型血液仅可以被输给Rh+血型的患者;然而,Rh-型血液则既可以输给Rh+血型的人,也可以输给Rh-型血的人。

  据美国血库学会(the American Association of Blood Banks)报告,每年有超过2300万单位的血液被用于输血。患者死于输血的风险率大约是十万分之一——与之相比,车祸致死的几率是十万分之二,感染流感(influenza)致死的几率是十万分之一。死于输血的风险包括血型判断中可能出现的错误以及细菌和病毒感染。之前已经提到过,HIV能够通过输血进行传播。据疾病控制与预防中心(the Centers for Disease Control and Prevention)的消息,从19976月起,已经有8450人由受污染的血液感染上艾滋病;但这个数据并不能反映实际感染情况,因为艾滋病症状的发展需要经过好几年的时间。输血也能够传播很多种肝炎(hepatitis)病毒。《新英格兰医药日报》(the New England Journal of Medicine)上的一项最近的研究称,人通过输血感染乙型肝炎(hepatitis B)的几率是六万三千分之一,感染丙型肝炎(hepatitis C)的几率是十万三千分之一。

 

两种途径

功有效的血液代用品所应满足的最低要求仍然很苛刻。它必须无毒、无病菌并且易于传输;它不能诱发免疫反应;而且,它必须适用于所有的血型。在人体供血恢复常态之前,这种化合物还必须持续参与血液循环;在排泄时,这种化合物必须无副作用。由于血液难以贮存且贮存成本较高(血液必须贮存在四摄氏度的温度下,而且即使满足了这一条件,血液最多也只能保持42天的鲜活),因此,优良的代用品要有较长的贮存寿命。但是,如果要成为非常理想的代用品的话,它还必须具有血液的多种功能。

  市面上或即将上市的血液代用品都在努力满足除了上述最后一条要求以外的其他所有要求;这些替代品注重的仅仅是再造血液的最基本功能——输送氧气。(这些代用品不同于所谓的血液扩容剂[volume expanders]——例如生理盐水[saline]、血浆或是葡萄糖[dextrose]——这些都只是为增加血量而研制的,而并不能再造血液的其他任何功能。)多年以来,出现了两种研发血液代用品的途径:一种途径基于化学药品,而另一种则基于血红蛋白。

  支持基于化学药品研发血液代用品的科学家们依靠的是合成的可携带氧气的化合物,这种化合物被称作过氟化碳(perfluorocarbonsPFCs——一种与特氟龙(Teflon)相似的化合物。倡导基于血红蛋白进行研发的科学家们则为自己的观点辩解,认为血液吸附并运输气体的能力只能够通过真正自然的物质才能够实现再造。(其它的研究正在进行,但是未得出可用于临床试验[clinic trials]的成果。这些研究包括在转基因动物体内生成血红蛋白、更易红细胞表层以生成万能红细胞、冷冻干燥红细胞,以及使用微脂质[liposome,或所谓的新红细胞,neo red cells]封装血红蛋白。)

  过氟化碳能够溶解大量气体,例如氧气和二氧化碳。过氟化碳的真正出名是在20世纪60年代,亚拉巴马大学(the University of Alabama)的利兰·克拉克(Leland Clark)在这一时期证明,浸泡在液态过氟化碳中的老鼠能够相对正常地进行呼吸。与现今年代相距更近的例子出现在1989年的电影《深渊》(The Abyss)当中;电影里的一位角色通过使用一种携带氧气的液体呼吸而在沉入深海后幸存。因为过氟化碳是惰性(inert)气体,不溶于血浆,所以现今研制的过氟化碳必须借助乳化剂(agent)形成微粒,并散布于血液中。

  血红蛋白能够主动吸附和释放氧气;但与之相反,过氟化碳输送气体的过程是被动的。来自肺部的氧气避开红细胞直接移动至悬浮在血浆中的过氟化碳;然后过氟化碳运行至人体的其他部位,并在毛细血管(capillaries)中扩散,实现氧气和二氧化碳的交换。

  过氟化碳的优点之一是其吸附的氧气量与人呼入的氧气量成正比。因此,患者可以接受压力部分高于室内气压的氧气供应,而过氟化碳则能够吸收和输送更多的氧气。过氟化碳还可以迅速地输送气体,因为所输送的气体无需在红细胞膜内扩散。另一方面,一个血红蛋白分子每次则只能携带四个氧分子——无论氧气量有多少——而且这些氧气必须通过红细胞膜。

  过氟化碳退出血液循环的工作由网状内皮系统(reticuloendothelial system)完成。该系统将过氟化碳微粒储存于脾脏(spleen)和肝脏(liver)内,直至这些微粒以蒸汽形式从肺部呼出。微粒能在注射过氟化碳后的4-12小时内被从体内清除,但是有关过氟化碳滞留体内的长远影响,人们知之甚少。

  20世纪60年代,过氟化碳作为血液代用品首先在老鼠身上使用,但存在严重的缺陷:过氟化碳不能很好地被排泄至体外,并且会在体组织内积聚。然而在20世纪80年代,一种新型的过氟化碳进入了临床阶段。这种名为弗洛索-DAFluosol-DA)的化合物(由日本大阪[Osaka]的绿十字公司[the Green Cross Corporation]研制)得到美国的认证,并被用于选定的患者,包括一些出于宗教信仰原因拒绝接受输血的人。但是,复杂的贮存方法、副作用以及低功效使得弗洛索-DA的广泛使用受到了限制。

  为克服上述难题,随后又出现了一系列基于过氟化碳的血液代用品,它们目前正处于临床试验阶段。其中一种名为氧气特使(Oxygent,由圣迭戈[San Diego]联合制药公司[Alliance Pharmaceutical Corporation]研制)的产品在冷藏状态下能够贮存两年。还有的新型过氟化碳输送的氧气量最多可达早期型号的四倍。但是,增加血液的携氧能力可以导致氧气在人体组织内的积聚,而这一情况则会对组织造成损伤。针对过氟化碳血液代用品所进行的临床研究正在进行,研究人员也正在尝试寻找减少副作用的方法。

  绝大多数研究血液代用品的科学家都把自己的注意力集中在影响血红蛋白的结构之上。看样子,这种化合物作为血液代用品的试验工作早在1868年就已经进行了;这一年,一名试验者向狗体内注射了血红蛋白。但是试验结果并不乐观。接受注射的狗的健康状况恶化,并出现了严重的肾脏损伤,血液输送氧气的能力减弱。很明显,当狗的血红蛋白处于裸露状态(即其表面缺少红细胞的保护)时,其性状将变得不稳定。这时,狗的血红蛋白分解为二聚物的形式,并进入肾脏内部,造成肾脏损伤,最终仅仅经过几小时的时间便被排泄至体外。分解成二聚物的血红蛋白相当微小,以至于它既不能被肾系统(renal system)过滤,又不能返回至体内。

 

希冀血红蛋白

类的血红蛋白同样存在这样的问题。为了取得显著的替代效果,血红蛋白中必须含有一种叫做23-双磷酸甘油酯(2,3-diphosphoglycerate2,3-DPG)的化合物,而该化合物只存在于红细胞中。如果没有2,3-双磷甘油脂的话,血红蛋白即使在肺部吸附了氧气,也无法将氧气释放至身体的其他部位。如果没有2,3-双磷甘油脂和红细胞中其他的元素的话,血红蛋白也容易自行氧化(auto-oxidation——在这一过程中,铁原子性状改变,并不可逆转地丧失吸附气体分子的能力。

  1969年,科学家们发现可以通过化学手段调整处于裸露状态的血红蛋白,使其自行氧化的过程得到逆转。这时,考虑使用这种化合物替代血液又一次成为可能。研究人员随后发现了几种有效的调整方法:α-α链、β-β链或α-β链的交替连接;血红蛋白分子间的聚合(polymerization);或是令血红蛋白分子与一种叫做聚乙二醇(polyethylene glycolPEG)的聚合物接合,在一些食物和化妆品中能够发现聚乙二醇这种物质。由于对血红蛋白分子的调整通常会增大血红蛋白分子的体积,所以这种方法便能够避免对肾系统的损伤,而且这时的血液代用品不至于很快离开体内。

  迄今为止,美国有五种研究产品用于人体测试。其中的一两种产品是由捐赠的血液(这些血液由于存放时间过长已经无法使用)研制出来的。由位于伊利诺伊州伊万斯顿(Evanston, Ill.)的诺思菲尔德实验室(Northfield Laboratories)研制的博利喜(PolyHeme)是一种多聚人类血红蛋白;该产品正在接受评估,以用于外科治疗中血液的替代。制备这种化合物需要进行pyridoxylation反应[译者注:目前尚且无法得到pyridoxylation这个词的准确中文含义。]的准备工作;在此过程中,血红蛋白分子的形态将发生改变以提高自身携氧能力,而后的聚合反应则会增加血红蛋白分子的体积。伊利诺伊州蒂菲尔德(Deerfield, Ill.)巴克斯特国际公司(Baxter International)研制的贺默希(HemAssist)亦是由过期血液制备而得。这种多肽链交替连接而成的物质正在心脏外科手术以及出血性休克(hemorrhagic shock)和外伤(trauma)的治疗中接受测试。

  其余的产品则采用了不同的途径。科罗拉多州博尔德(Boulder, Colo.)索玛托根公司(Somatogen)的奥普拓(Optro)是将人类血红蛋白中的多肽链进行交替连接并在大肠杆菌(Escherichia coli,生物工程学家常用以生成蛋白质)中进行基因重组(gene splicing)后生成的。马萨诸塞州剑桥(Cambridge, Mass.)柏缥(Biopure)公司的喜默朴(Hemopure)由奶牛血红蛋白聚合而成。这种血液代用品经过实验研究后将用于外伤、外科手术和镰状细胞贫血(sickle cell anemia)的治疗。

  我们在新泽西州匹斯卡特维(Piscataway, N.J.)恩宗(Enzon)制药公司所进行的研究同样以牛类血红蛋白为中心。牛类血红蛋白价格低廉、易于获取,而且不同于人类血红蛋白的是:牛类血红蛋白无需2,3-双磷酸甘油酯便可以进行氧气的输送。通过将牛类血红蛋白与聚乙二醇结合,我们便能够使分子性状稳定下来、增大其体积并延长其在人体中留存的时间。

  聚乙二醇与血红蛋白的结合能否作为增强某些固体肿瘤(solid tumors)放射疗法(radiation treatment)疗效的一种手段,目前尚处评测阶段。许多这类肿瘤的核心部位含氧量较低,但是由于放射疗法需要氧气才能发挥效力,因此肿瘤常常得以抵御放射疗法。然而,已经有医生做到通过聚乙二醇与血红蛋白的结合,将氧气输送到了肿瘤部位。这种血液代用品还被用于治疗中风(stroke)和局部贫血(ischemia,局部体组织无法实现供血):因为自由的血红蛋白比红细胞小,所以它能够进入阻塞的血管中,并为缺氧的细胞输送氧气。

 

代用品的安全性

管血液代用品的探求工作已经出现明显进展,但却将因为缺少成功案例的铺垫而面临重重困难。万事有得必有失。由于配给每位病人的代用品剂量较大,科学家们必须应对针对代用品安全性的种种关切,而用药剂量较小的疗法则不会使人们产生这些疑虑。多数药物的调制是以毫克来计算的;但是为病人输送的基于血红蛋白的代用品剂量最多却可达50100克。这是因为血液代用品除了能够输送氧气之外,还有着回复血液量的目的。

  再者,这些血液代用品的长期作用还无从所知。接受测试的血液代用品都显示出了短期的毒副作用——包括高血压(hypertension)、肾衰竭(renal shutdown)和肾损伤(renal damage)、心率加速以及肠胃疼痛(gastrointestinal pain)等。由于多数血液代用品是在生命危急的时刻输入体内的,所以科学家们必须证明血液代用品的短期益处大于长期风险——还有因持续使用导致的风险。

  每一种类型的血液代用品又各自有着自己的难题。基于过氟化碳的血液代用品必须解决导致分泌闭止(retention)、毒副作用、循环周期短以及可能导致的携氧过量等问题。用过期人类血液制备的血液代用品面临的是寻找足量血液原料的问题。通过基因技术制备的合成血红蛋白的需求量惊人——年需求为53000千克——而这样才仅能满足美国10%的血液需求;完成这样的生产过程需要大型且费用高昂的生产设施。最后,牛血血液代用品必须考虑到传染疯牛病(牛海绵状脑病,bovine spongiform encephalopathy)甚至是其他未知疾病的风险。生产者可以避免采用投喂过导致疯牛病传播的动物副产品的奶牛的血液,但是他们必须确保血液中不含其他致病物质,并且病人接受牛血血液代用产品后不会产生不良免疫反应。

  虽然存在这些挑战,但血液代用品仍然能够在不远的将来进入临床试验阶段。产品一旦得到了食品药品管理局的认证,就将面临最终的评测:消费者。消费者愿意花钱购买产品是为了什么呢?或者说(这一点更为重要),健康医疗供应商愿意花钱是为了什么呢?考虑到研发的巨大代价,那些产品的价格毫无疑问将会比血液的价格高出二至五倍;目前医院购进1单位血液的价格介于60美元和85美元之间,而各种手续费常常使得血液的价格最高涨至240美元1单位。据估计,血液代用品每年都有50亿美元的市场——而这还仅是在美国一个国家。

  然而,在不考虑费用问题的情况下,血液代用品可以极大地改善健康医疗的状况。提前应对血液短缺及减轻对血液污染的恐惧仅是血液代用品诸多益处当中的两项益处。医生们能够使用血液代用品保存器官、治疗贫血和链状细胞贫血以及进行血管再造(angioplasty),代用品还能在其他医疗活动中发挥作用,其应用有着无尽的可能。


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