新聞 | 拯救傷員生命的合成血液和血液制品
2022-08-22
合成生物學(xué)是一種制造與生物系統(tǒng)相互作用的裝置、藥物和其他技術(shù)的新方法。與利用對病理學(xué)、生理學(xué)和經(jīng)驗(yàn)觀察的理解來影響生物系統(tǒng)的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新方法不同，合成生物學(xué)利用了近幾十年來生物技術(shù)的進(jìn)步，沒有依賴天然化合物與人類生物系統(tǒng)的相互作用來獲得治療益處，而是通過對人類生物學(xué)的更好理解，結(jié)合現(xiàn)代人工制造的工具，實(shí)現(xiàn)了更可靠、可擴(kuò)展和可定制化的創(chuàng)新治療。表1顯示了幾種方法和具體示例。對合成生物學(xué)的興趣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，2021年的投資估計為114億美元。美國國防高級研究計劃局的“生物鑄造（live Foundries）”計劃“旨在實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性、可擴(kuò)展和按需生產(chǎn)……關(guān)鍵的高價值分子，這些分子通常極其昂貴，無法在國內(nèi)獲得，或無法使用傳統(tǒng)方法制造。”應(yīng)用包括工業(yè)化學(xué)品、藥品、涂料和粘合劑；轉(zhuǎn)基因作物和微生物生產(chǎn)生物燃料；甚至將生物成分整合到服裝和建筑材料中，以增強(qiáng)耐用性和保護(hù)性能。類似技術(shù)的醫(yī)療應(yīng)用經(jīng)?？梢哉业健?/span>
合成血液定義和應(yīng)用
從現(xiàn)代醫(yī)學(xué)誕生開始，“合成血液”的概念就迅速吸引了醫(yī)生和研究人員。在哈維于1616年描述了血液循環(huán)之后不久，克里斯托弗·雷恩爵士在1656年寫下了他的各種物質(zhì)注入實(shí)驗(yàn):
“我通過靜脈向一條活狗的血液中注入了大量的葡萄酒和麥芽酒，直到我讓它喝得爛醉如泥，但不久后它就把酒喝光了……”1659年，甚至在尋找血液替代品的過程中，動物間的輸血也隨之而來。1878年，托馬斯注意到乳糜和牛奶之間的化學(xué)相似性，將牛奶注入三個病人體內(nèi)——大部分沒有成功。后來一種傳統(tǒng)的基于生物學(xué)技術(shù)維持循環(huán)血量或其成分的方法問世，該方法基于來自獻(xiàn)血者的血液或基于簡單的生理學(xué)理解制備的晶體和膠體溶液，然而這種方法持續(xù)了幾個世紀(jì)。在20世紀(jì)30年代，由于腎毒性，使用溶解紅細(xì)胞血紅蛋白的有限嘗試失敗了。在20世紀(jì)80年代，對丙型肝炎和人類免疫缺陷病毒(HIV)在捐獻(xiàn)血液中傳播的擔(dān)憂，促進(jìn)了第一次嘗試開發(fā)來自捐獻(xiàn)者的血液成分的人工替代品。此時開始的一些方法的進(jìn)一步發(fā)展今天仍有希望。在考慮“合成血液”的概念時，重要的是要理解這一概念是指應(yīng)用各種各樣的技術(shù)方法，以替代或增強(qiáng)患者天然血液的功能。此外，重要的是要理解，雖然血液是一個復(fù)雜的器官，確實(shí)應(yīng)該被視為與包含它的血管環(huán)境不可分割，但許多“合成血液”的方法只關(guān)注血液的一種功能：最常見的是氧氣輸送，但最近也關(guān)注血小板功能。對“合成血液”的綜合考慮可能還包括大量用作血漿擴(kuò)容劑的靜脈注射液和血液衍生物，如晶體、膠體如明膠或羥乙基淀粉，以及各種白蛋白產(chǎn)品。此外，還可能包括對標(biāo)準(zhǔn)血漿產(chǎn)品的重要操作，以延長保質(zhì)期或可及性，如凍干或噴霧干燥。然而，這篇簡短的綜述將集中在生產(chǎn)血液細(xì)胞成分替代品的嘗試上，特別是紅細(xì)胞和血小板。大多數(shù)看到“合成血液”一詞的醫(yī)生會把它等同于治療出血或貧血的產(chǎn)品。值得注意的是，一些人做出了不同的假設(shè)，將合成血液視為人類健康表現(xiàn)改善的一種機(jī)制。2018年，當(dāng)一名中國科學(xué)家使用CRISPR技術(shù)對三個人類胚胎進(jìn)行基因編輯時，合成生物學(xué)在世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，據(jù)報道，其目的是降低這些胚胎對艾滋病毒感染的敏感性，但這導(dǎo)致了廣泛的不安，并對相關(guān)科學(xué)家進(jìn)行了倫理審查。假設(shè)合成的“超級血液”可以顯著提高個人的身體速度、力量和耐力。反過來，這可以讓人們在極端條件下工作，或者更輕松地完成日常任務(wù)?！甭殬I(yè)運(yùn)動員使用促紅細(xì)胞生成素和其他血液興奮劑方法的顯著例子將這種想法從科幻領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)。也許，令人放心的是，意見調(diào)查發(fā)現(xiàn)“大多數(shù)美國人似乎對以這種方式使用合成血液替代品的想法持懷疑態(tài)度?！比欢?，臨床醫(yī)生、研究人員、資助者和倫理審查小組在解釋諸如“大多數(shù)人(63%)不希望自己體內(nèi)有合成血液”之類的回答時，當(dāng)然必須考慮到當(dāng)時問題的提出背景，如果替代方案是死于失血性出血，想必答復(fù)可能會有所不同。
改進(jìn)當(dāng)前輸血實(shí)踐的理由
目前的輸血實(shí)踐無疑挽救了全球數(shù)百萬患者的生命。僅在美國，每年就有近2100萬例血液成分輸血，全球每年收集的獻(xiàn)血量近1.2億單位。在地方醫(yī)學(xué)中，最常見的輸血指征(34%)是惡性腫瘤或其治療的并發(fā)癥，其次是貧血的其他醫(yī)學(xué)原因(19%)和手術(shù)(18%)。雖然急性創(chuàng)傷僅占總適應(yīng)癥的2%，但創(chuàng)傷是迄今為止大量輸血最常見的適應(yīng)癥(圖1)。
輸血風(fēng)險過敏反應(yīng)、因錯誤輸注ABO血型不合血液而導(dǎo)致的急性溶血性輸血反應(yīng)、遲發(fā)性溶血性輸血反應(yīng)、發(fā)熱性非溶血性輸血反應(yīng)、輸血相關(guān)急性肺損傷和輸血相關(guān)移植與宿主排斥扥。然而，危及生命的反應(yīng)非常罕見，登記數(shù)據(jù)顯示輸血的發(fā)生率僅為60萬分之一至230萬分之一，在大多數(shù)發(fā)達(dá)國家，通過血液傳播傳染病篩查的志愿獻(xiàn)血者的血液供應(yīng)現(xiàn)在十分安全， 到2001年，美國艾滋病毒和丙型肝炎傳播的風(fēng)險不到1/100萬單位。相比之下，在56個國家，超過50%的血液供應(yīng)仍然依賴于家庭/替代和有償獻(xiàn)血者。低收入國家只有80%的輸血遵循基本質(zhì)量程序進(jìn)行傳染病篩查。在這些國家，捐獻(xiàn)血液中艾滋病毒的流行率估計為0.7%、乙型肝炎2.81% 和丙型肝炎1.00% 。在發(fā)展中國家，以可負(fù)擔(dān)的方式替代捐獻(xiàn)的血液將獲得更大的好處，例如，在尼日利亞，輸血是艾滋病毒傳播的第二大常見原因。
血液衰竭
嚴(yán)重出血最常見的原因是腹主動脈或髂血管動脈瘤破裂、消化性潰瘍疾病、術(shù)中出血、圍產(chǎn)期出血或外傷。美國每年有超過60，000人死亡，全球有近2，000，000人因出血死亡。這些死亡是由延遲性出血、活動性出血期間延遲救治以及失血性休克的延遲識別引起的。所有這些因素都可能導(dǎo)致所謂的低體溫、酸中毒和凝血病的致命三聯(lián)征。當(dāng)合并嚴(yán)重的組織損傷時，由此導(dǎo)致的創(chuàng)傷引起的凝血病與近50%的死亡率相關(guān)。
快速、嚴(yán)重的出血導(dǎo)致氧氣輸送不足和大量氧債（oxygen debt）的積累。這種全身性氧債和致命三聯(lián)體的相關(guān)生理紊亂被稱為血液衰竭。復(fù)蘇的主要目標(biāo)之一，除了最大化減少或停止正在進(jìn)行的出血，是逆轉(zhuǎn)氧缺乏和償還累積的氧債。這是通過許多互補(bǔ)的努力來實(shí)現(xiàn)的，包括確保足夠的全身灌注，恢復(fù)足夠的血管內(nèi)容量和攜氧能力，補(bǔ)充衰竭水平的凝血因子和血小板。這種方法被稱為損傷控制復(fù)蘇。血液衰竭的管理，一旦建立，甚至預(yù)防輕中度患者的失血，都可以考慮使用合成血液和血液制品。以下部分詳細(xì)介紹了從成熟到未來的各種可能性，這些可能性可能成為復(fù)蘇醫(yī)療設(shè)備的一部分，適用于從資源豐富的城市創(chuàng)傷中心到嚴(yán)峻的戰(zhàn)場環(huán)境等各種環(huán)境。
合成紅細(xì)胞
基于血紅蛋白的氧載體(HBOCs)是使用人、牛、豬和海洋蠕蟲血紅蛋白生產(chǎn)的。天然血紅蛋白已經(jīng)通過聚合、聚乙二醇化和各種其他化學(xué)改變進(jìn)行了修飾，試圖降低由與游離血紅蛋白相關(guān)的一氧化氮清除引起的腎毒性和急性高血壓。三種聚合血紅蛋白已進(jìn)入高級開發(fā)階段:HemAssist(巴克斯特公司)、PolyHeme(諾斯菲爾德實(shí)驗(yàn)室)和Hemopure(或HBOC-201)。HemAssist是diaspirin交聯(lián)的人類血紅蛋白，最初由萊特曼陸軍研究所于20世紀(jì)80年代開發(fā)，但隨后被授權(quán)給巴克斯特公司。盡管臨床前研究令人鼓舞，心臟手術(shù)患者的一項(xiàng)臨床試驗(yàn)也是如此，但三項(xiàng)試驗(yàn)因安全問題而提前終止。PolyHeme在一項(xiàng)具有歷史對照的人體研究中顯示出最初的希望，但隨后760名患者的院前和院內(nèi)使用的三期試驗(yàn)結(jié)果因倫理原因而受到批評，據(jù)報道未能顯示出益處(盡管仍未公布)，該產(chǎn)品的生產(chǎn)隨后停止。
迄今為止，只有Hemopure(牛血紅蛋白的四聚體制劑)在人類中有重要的臨床應(yīng)用。在進(jìn)行了幾項(xiàng)令人鼓舞的小型臨床研究后，在骨科手術(shù)患者中進(jìn)行了一項(xiàng)大規(guī)模(n = 688名患者)血液透析與紅細(xì)胞的比較試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)血液透析避免了近60%患者的紅細(xì)胞輸注需求，但與更高的不良事件發(fā)生率相關(guān)，最有可能與血液透析的血管活性有關(guān)。聚乙二醇修飾(PEGylated)血紅蛋白是另一種減少血管活性效應(yīng)和游離血紅蛋白腎臟沉積的方法。已經(jīng)開發(fā)了幾種聚乙二醇化血紅蛋白，包括在動物模型中有效但在隨機(jī)試驗(yàn)中與不良反應(yīng)相關(guān)的Hemospan，導(dǎo)致其生產(chǎn)停止。Sanguinate(新澤西州)被認(rèn)為是對HBOC-201的理論改進(jìn)，使用一氧化碳來避免清除一氧化氮。臨床應(yīng)用僅限于蛛網(wǎng)膜下腔出血和鐮狀細(xì)胞危象的病例系列，雖然沒有比較試驗(yàn)，但早期結(jié)果令人鼓舞。另一種較新的方法是將酪氨酸殘基基因工程改造到血紅蛋白分子中，使其在聚乙二醇化前保持鐵的形式，循環(huán)時間令人鼓舞，在小鼠中沒有明顯的副作用。合成納米粒子代表了一類新興的紅細(xì)胞替代品。有幾種潛在的生物相容性納米粒子殼制劑可以包裹血紅蛋白，減少組織外滲和一氧化氮清除。這一領(lǐng)域的著名代表是美國公司kalytore(馬里蘭州巴爾的摩)正在開發(fā)的產(chǎn)品。該產(chǎn)品使用人類血紅蛋白和添加的還原劑來減少高鐵血紅蛋白的形成。制造商是一家大學(xué)公司，產(chǎn)品仍處于早期開發(fā)階段，沒有注冊臨床試驗(yàn)。全氟化碳被認(rèn)為是一種有吸引力的紅細(xì)胞替代品，因?yàn)樗鼈儗粑鼩怏w具有顯著的溶解能力。不幸的是，全氟辛烷磺酸不溶于水，乳化全氟辛烷磺酸所需的表面活性劑導(dǎo)致了多種毒性，如流感樣綜合征、補(bǔ)體激活和血小板減少癥，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。1989年，美國食品和藥物管理局批準(zhǔn)氟索爾-達(dá)(美國加州洛杉磯阿爾法治療公司)(一種白蛋白占20%的全氟化碳乳劑)使用。沒有一種PFC乳劑被成功開發(fā)到臨床應(yīng)用的階段。“血液制藥”是紅細(xì)胞替代的最新合成生物學(xué)方法。一般的方法是用干細(xì)胞或紅細(xì)胞祖細(xì)胞接種生物反應(yīng)器，擴(kuò)大細(xì)胞群，同時將細(xì)胞推向紅細(xì)胞分化途徑。產(chǎn)生的細(xì)胞是有核紅細(xì)胞或網(wǎng)織紅細(xì)胞，取決于包括反應(yīng)器設(shè)計在內(nèi)的各種因素。美國國防部和其他部門在這一領(lǐng)域投入了大量資金，成功地建立了概念驗(yàn)證系統(tǒng)。然而，迄今為止，用這些方法生產(chǎn)紅細(xì)胞的成本高得令人望而卻步，主要的成本因素是分化和生長因素以及培養(yǎng)基。另一個主要的成本因素是從骨髓或臍帶中獲取干細(xì)胞。iPS細(xì)胞技術(shù)可能會增加干細(xì)胞的可用性，但代表了一系列不同的挑戰(zhàn)和成本。使用CRISPR或其他技術(shù)對干細(xì)胞進(jìn)行基因操作，可能會產(chǎn)生證明體外生產(chǎn)成本合理的紅細(xì)胞產(chǎn)品——例如，普遍兼容的紅細(xì)胞——但這些努力仍處于早期開發(fā)階段。
合成紅細(xì)胞在非出血性疾病中的應(yīng)用
有必要簡要提及合成紅細(xì)胞的其他應(yīng)用。幾種疾病狀態(tài)，包括缺血性心臟病和蛛網(wǎng)膜下腔出血后腦血管痙攣引起的大腦皮質(zhì)缺血，是由氧氣需求和輸送之間的不平衡引起的。當(dāng)血細(xì)胞比容過高時，紅細(xì)胞的流變性質(zhì)會損害灌注，而當(dāng)血細(xì)胞比容過低時，氧氣輸送會受到損害。這種情況下的最佳血紅蛋白濃度尚未確定，異體紅細(xì)胞輸注的潛在不良影響是否會影響這一最佳血紅蛋白濃度尚不清楚。合成紅細(xì)胞具有優(yōu)于內(nèi)源性或輸注紅細(xì)胞的流變特性，具有增強(qiáng)灌注的潛力。迄今為止，對這一概念的探索僅限于動物模型，并取得了令人鼓舞的結(jié)果。經(jīng)基因工程改造以表達(dá)血管平滑肌細(xì)胞增殖抑制劑的紅細(xì)胞在冠狀動脈移植物狹窄的動物模型中也取得了成功。在動物模型中，負(fù)載血紅蛋白的脂質(zhì)體已被用于緩解實(shí)體瘤中的缺氧效應(yīng)，被認(rèn)為是減少耐藥性和轉(zhuǎn)移的一種手段。一個明顯的應(yīng)用是在遺傳性血紅蛋白病的治療中，但目前這仍處于實(shí)驗(yàn)階段
合成血小板
復(fù)制血小板至少部分功能的嘗試包括納米粒子技術(shù)和“血液制藥”。納米顆粒方法從相對簡單的制劑到更復(fù)雜的膠囊不等，前者包括包封ADP的磷脂脂質(zhì)體，并用代表纖維蛋白原γ鏈羧基末端序列的十二肽修飾，后者用多種受體肽序列修飾，并含有抗纖維蛋白溶解劑氨甲環(huán)酸。這兩種方法目前都處于臨床開發(fā)的不同階段。ADP/纖維蛋白原序列脂質(zhì)體正在日本進(jìn)行臨床試驗(yàn)，一種稱為Synthoplate的納米顆粒正在美國進(jìn)行臨床前開發(fā)。其他幾個小組正在研究使用例如PLGA納米球、白蛋白顆粒和修飾紅細(xì)胞的納米顆粒血小板替代物。迄今為止，這些努力仍處于開發(fā)的臨床前階段。
美國和其他地方的幾個學(xué)術(shù)和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行血小板的離體生產(chǎn)。血小板面臨的一個特殊挑戰(zhàn)是要求在生物反應(yīng)器設(shè)計中包括一種在剪切下促進(jìn)血小板通過膜脫落的方法。這個領(lǐng)域的一個著名代表是美國的血小板生物發(fā)生公司。它們產(chǎn)生由誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化成巨核細(xì)胞譜系的血小板。血小板的體外擴(kuò)增在成本和工藝可擴(kuò)展性方面面臨著與紅細(xì)胞生產(chǎn)相似的挑戰(zhàn)，需要在臨床試驗(yàn)中進(jìn)行測試，以確定它們能夠替代天然血小板的程度。
臨床試驗(yàn)設(shè)計的挑戰(zhàn)
評估合成血液產(chǎn)品的安全性和有效性的臨床試驗(yàn)面臨幾個重大挑戰(zhàn)。他們必須將新療法與現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行比較。在以前的開發(fā)工作中，有人認(rèn)為像六溴環(huán)十二烷這樣的“合成血液產(chǎn)品”可以與晶體或膠體相比較，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)血液產(chǎn)品在院前環(huán)境中是不可用的。在院前環(huán)境中提供標(biāo)準(zhǔn)血液產(chǎn)品的后勤挑戰(zhàn)是巨大的，但是在許多創(chuàng)傷系統(tǒng)中，包括軍事環(huán)境中，正在開發(fā)解決方案。因此，可能需要將新產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)血液產(chǎn)品進(jìn)行比較的非劣效性試驗(yàn)設(shè)計，或者至少包括標(biāo)準(zhǔn)血液產(chǎn)品的復(fù)蘇方法。此外，由于院前血液制品輸血與死亡率降低有關(guān)，使用不太嚴(yán)格的終點(diǎn)，如血液制品利用率降低，可能不足以滿足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求。血液替代品臨床開發(fā)的歷史表明，新產(chǎn)品面臨著一個充滿挑戰(zhàn)的監(jiān)管環(huán)境和一個需要強(qiáng)大結(jié)果的臨床機(jī)構(gòu)。
