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血液探秘

华盛顿—在最发达国家,病人对输血安全性有信心。问题是保持稳定的无污染献血源有时并不容易。有没有希望保证随时随地都有安全血液的充足供应?

当今血液供给——通常来自志愿捐献——可能被艾滋病和其他病原污染。献血者献的血必须冷藏,保质期为28天。出于污染担忧——以及更持久血源的军事利益——血液的合成替代品研究长期以来一直是医学的优先发展项目。

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使用血液替代品的思想起源于17世纪,至今仍吸引着研究者。在寻找储藏稳定、携带便捷、普遍是用的血液替代品(以便在战场等极端环境中代替标准输血操作)的过程中,一些可能引起输血医学革命的产品已经被开发出来。

但是,拜重大科学挑战所赐,在三十多年的积极研究和开发后,仍未有可临床使用的产品获得监管批准。

血液是复杂的混合液体,包含了血浆蛋白质、红细胞、血小板和其他细胞成分。这些元素实现着关键功能,比如输送氧气、营养物质和免疫球蛋白(可防卫传染病),并调节水含量、温度和pH水平。

20世纪初,研究者开始考察红细胞中的血红蛋白——负责将氧气从呼吸器官送到身体其他部位的蛋白质。他们发现,从老化细胞中分离出来后——不管来自人血或牛血,还是通过基因工程获得——自由血红蛋白可以重新焕发活力,化学结构稳定,并能作为血液“替代品”用于注射,其携氧效率不输于红细胞,但携氧时间短得多。(无血红蛋白的合成血液替代品,即所谓的氟碳化合物,携氧效率就比较低。)

但自由血红蛋白可能在人体内造成严重破坏,造成高血压、心脏骤停甚至死亡。事实上,在几乎所有生物中,血红蛋白都被封闭在红细胞中,以保护肢体免受这种蛋白质的消极作用(并反过来保护血红蛋白免受肢体消化酶的作用)。尽管如此,专家仍相信,基于血红蛋白的产品可以用于拯救外伤病人,也能治疗因为宗教原因拒绝献血血源的患者(比如耶和华见证人(Jehovah’s Witnesses)信徒)。

血红蛋白包含了亚铁血红素,一种含有铁元素的化合物。铁是一种过渡金属,可以氧化(或曰“生锈)。在红细胞之外,“好”的亚铁——唯一的携氧形式——被不可控地氧化,形成“坏”的三价铁和“丑”的高价铁的血红蛋白形式。当血红蛋白被释放到人的循环系统中时,高价铁形式最终会自我毁灭,伤害周围组织的分子。

由于这些有害形式的血红蛋白难以在活着的系统中予以研究,研究者一般都忽视它们。反之,他们将注意力集中在防止肾脏过滤输入的血红蛋白;防止血红蛋白漏出血管壁;以及防止合成血红蛋白破坏一氧化氮上(一氧化氮是血管内产生的气体,它有助于血管膨胀,增加血流)。一些研究者认为一氧化氮的反应最有问题,因为这增加了血压。

但在寻找控制这些氧化反应方面已经取得了进步。研究者(包括我的实验室)已经研究了肢体如何自然处理偶然从老化红细胞和受血液疾病(如溶血性贫血)影响的细胞中释放出来的血红蛋白。他们发现,肢体的第一道血红蛋白氧化作用防线是一个还原过程,在这个过程中,尿酸分子和抗坏血酸(维生素C)分子通过将铁还原为较难氧化的形式来阻止氧化。

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此外,血液中含有一些蛋白质,专门用来清扫血红蛋白及其碎片。它们降低血红蛋白的毒性,安全地将其清除,为在被称为巨噬细胞的专门作用细胞中的后续过程做准备。比如,触珠蛋白紧紧地绑定于血红蛋白的亚基上,而血液结合素在血红蛋白释放亚铁血红素将它们捉住。最新的治疗可能性包括将触珠蛋白与血红蛋白一起注入循环系统,或者将维生素C作为添加成分,以此增加安全有效的血液替代品开发的成功机会。

研究者必须以这些进步为基础。让输血更有效的安全血液替代品和新治疗选择将显著改进挑战性状况的治疗。最终,这可以拯救大量生命。