拯救傷員生命的合成血液和血液制品
2022-05-24
合成生物學是一種制造與生物系統相互作用的裝置、藥物和其他技術的新方法。與利用對病理學、生理學和經驗觀察的理解來影響生物系統的傳統醫學創新方法不同，合成生物學利用了近幾十年來生物技術的進步，沒有依賴天然化合物與人類生物系統的相互作用來獲得治療益處，而是通過對人類生物學的更好理解，結合現代人工制造的工具，實現了更可靠、可擴展和可定制化的創新治療。表1顯示了幾種方法和具體示例。對合成生物學的興趣遠遠超出了醫學領域，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“旨在實現適應性、可擴展和按需生產……關鍵的高價值分子，這些分子通常極其昂貴，無法在國內獲得，或無法使用傳統方法制造。”應用包括工業化學品、藥品、涂料和粘合劑；轉基因作物和微生物生產生物燃料；甚至將生物成分整合到服裝和建筑材料中，以增強耐用性和保護性能。類似技術的醫療應用經?？梢哉业?。
合成血液定義和應用
從現代醫學誕生開始，“合成血液”的概念就迅速吸引了醫生和研究人員。在哈維于1616年描述了血液循環之后不久，克里斯托弗·雷恩爵士在1656年寫下了他的各種物質注入實驗:“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相似性，將牛奶注入三個病人體內——大部分沒有成功。后來一種傳統的基于生物學技術維持循環血量或其成分的方法問世，該方法基于來自獻血者的血液或基于簡單的生理學理解制備的晶體和膠體溶液，然而這種方法持續了幾個世紀。在20世紀30年代，由于腎毒性，使用溶解紅細胞血紅蛋白的有限嘗試失敗了。在20世紀80年代，對丙型肝炎和人類免疫缺陷病毒(HIV)在捐獻血液中傳播的擔憂，促進了第一次嘗試開發來自捐獻者的血液成分的人工替代品。此時開始的一些方法的進一步發展今天仍有希望。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用各種各樣的技術方法，以替代或增強患者天然血液的功能。此外，重要的是要理解，雖然血液是一個復雜的器官，確實應該被視為與包含它的血管環境不可分割，但許多“合成血液”的方法只關注血液的一種功能：最常見的是氧氣輸送，但最近也關注血小板功能。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，以及各種白蛋白產品。此外，還可能包括對標準血漿產品的重要操作，以延長保質期或可及性，如凍干或噴霧干燥。然而，這篇簡短的綜述將集中在生產血液細胞成分替代品的嘗試上，特別是紅細胞和血小板。大多數看到“合成血液”一詞的醫生會把它等同于治療出血或貧血的產品。值得注意的是，一些人做出了不同的假設，將合成血液視為人類健康表現改善的一種機制。2018年，當一名中國科學家使用CRISPR技術對三個人類胚胎進行基因編輯時，合成生物學在世界范圍內引起了廣泛關注，據報道，其目的是降低這些胚胎對艾滋病毒感染的敏感性，但這導致了廣泛的不安，并對相關科學家進行了倫理審查。假設合成的“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?！甭殬I運動員使用促紅細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域轉移到現實。也許，令人放心的是，意見調查發現“大多數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度?！比欢?，臨床醫生、研究人員、資助者和倫理審查小組在解釋諸如“大多數人(63%)不希望自己體內有合成血液”之類的回答時，當然必須考慮到當時問題的提出背景，如果替代方案是死于失血性出血，想必答復可能會有所不同。
改進當前輸血實踐的理由
目前的輸血實踐無疑挽救了全球數百萬患者的生命。僅在美國，每年就有近2100萬例血液成分輸血，全球每年收集的獻血量近1.2億單位。在地方醫學中，最常見的輸血指征(34%)是惡性腫瘤或其治療的并發癥，其次是貧血的其他醫學原因(19%)和手術(18%)。雖然急性創傷僅占總適應癥的2%，但創傷是迄今為止大量輸血最常見的適應癥(圖1)。
輸血風險過敏反應、因錯誤輸注ABO血型不合血液而導致的急性溶血性輸血反應、遲發性溶血性輸血反應、發熱性非溶血性輸血反應、輸血相關急性肺損傷和輸血相關移植與宿主排斥扥。然而，危及生命的反應非常罕見，登記數據顯示輸血的發生率僅為60萬分之一至230萬分之一，在大多數發達國家，通過血液傳播傳染病篩查的志愿獻血者的血液供應現在十分安全， 到2001年，美國艾滋病毒和丙型肝炎傳播的風險不到1/100萬單位。相比之下，在56個國家，超過50%的血液供應仍然依賴于家庭/替代和有償獻血者。低收入國家只有80%的輸血遵循基本質量程序進行傳染病篩查。在這些國家，捐獻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% 。在發展中國家，以可負擔的方式替代捐獻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、術中出血、圍產期出血或外傷。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致所謂的低體溫、酸中毒和凝血病的致命三聯征。當合并嚴重的組織損傷時，由此導致的創傷引起的凝血病與近50%的死亡率相關。快速、嚴重的出血導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體的相關生理紊亂被稱為血液衰竭。復蘇的主要目標之一，除了最大化減少或停止正在進行的出血，是逆轉氧缺乏和償還累積的氧債。這是通過許多互補的努力來實現的，包括確保足夠的全身灌注，恢復足夠的血管內容量和攜氧能力，補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蘇。血液衰竭的管理，一旦建立，甚至預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蘇醫療設備的一部分，適用于從資源豐富的城市創傷中心到嚴峻的戰場環境等各種環境。
合成紅細胞
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的。天然血紅蛋白已經通過聚合、聚乙二醇化和各種其他化學改變進行了修飾，試圖降低由與游離血紅蛋白相關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入高級開發階段:HemAssist(巴克斯特公司)、PolyHeme(諾斯菲爾德實驗室)和Hemopure(或HBOC-201)。HemAssist是diaspirin交聯的人類血紅蛋白，最初由萊特曼陸軍研究所于20世紀80年代開發，但隨后被授權給巴克斯特公司。盡管臨床前研究令人鼓舞，心臟手術患者的一項臨床試驗也是如此，但三項試驗因安全問題而提前終止。PolyHeme在一項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使用的三期試驗結果因倫理原因而受到批評，據報道未能顯示出益處(盡管仍未公布)，該產品的生產隨后停止。
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用。在進行了幾項令人鼓舞的小型臨床研究后，在骨科手術患者中進行了一項大規模(n = 688名患者)血液透析與紅細胞的比較試驗，發現血液透析避免了近60%患者的紅細胞輸注需求，但與更高的不良事件發生率相關，最有可能與血液透析的血管活性有關。聚乙二醇修飾(PEGylated)血紅蛋白是另一種減少血管活性效應和游離血紅蛋白腎臟沉積的方法。已經開發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試驗中與不良反應相關的Hemospan，導致其生產停止。Sanguinate(新澤西州)被認為是對HBOC-201的理論改進，使用一氧化碳來避免清除一氧化氮。臨床應用僅限于蛛網膜下腔出血和鐮狀細胞危象的病例系列，雖然沒有比較試驗，但早期結果令人鼓舞。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。這一領域的著名代表是美國公司kalytore(馬里蘭州巴爾的摩)正在開發的產品。該產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。制造商是一家大學公司，產品仍處于早期開發階段，沒有注冊臨床試驗。全氟化碳被認為是一種有吸引力的紅細胞替代品，因為它們對呼吸氣體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致了多種毒性，如流感樣綜合征、補體激活和血小板減少癥，導致產品失效。1989年，美國食品和藥物管理局批準氟索爾-達(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乳劑被成功開發到臨床應用的階段。“血液制藥”是紅細胞替代的最新合成生物學方法。一般的方法是用干細胞或紅細胞祖細胞接種生物反應器，擴大細胞群，同時將細胞推向紅細胞分化途徑。產生的細胞是有核紅細胞或網織紅細胞，取決于包括反應器設計在內的各種因素。美國國防部和其他部門在這一領域投入了大量資金，成功地建立了概念驗證系統。然而，迄今為止，用這些方法生產紅細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基。另一個主要的成本因素是從骨髓或臍帶中獲取干細胞。iPS細胞技術可能會增加干細胞的可用性，但代表了一系列不同的挑戰和成本。使用CRISPR或其他技術對干細胞進行基因操作，可能會產生證明體外生產成本合理的紅細胞產品——例如，普遍兼容的紅細胞——但這些努力仍處于早期開發階段。
合成紅細胞在非出血性疾病中的應用
有必要簡要提及合成紅細胞的其他應用。幾種疾病狀態，包括缺血性心臟病和蛛網膜下腔出血后腦血管痙攣引起的大腦皮質缺血，是由氧氣需求和輸送之間的不平衡引起的。當血細胞比容過高時，紅細胞的流變性質會損害灌注，而當血細胞比容過低時，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。合成紅細胞具有優于內源性或輸注紅細胞的流變特性，具有增強灌注的潛力。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果。經基因工程改造以表達血管平滑肌細胞增殖抑制劑的紅細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，負載血紅蛋白的脂質體已被用于緩解實體瘤中的缺氧效應，被認為是減少耐藥性和轉移的一種手段。一個明顯的應用是在遺傳性血紅蛋白病的治療中，但目前這仍處于實驗階段
合成血小板
復制血小板至少部分功能的嘗試包括納米粒子技術和“血液制藥”。納米顆粒方法從相對簡單的制劑到更復雜的膠囊不等，前者包括包封ADP的磷脂脂質體，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酸。這兩種方法目前都處于臨床開發的不同階段。ADP/纖維蛋白原序列脂質體正在日本進行臨床試驗，一種稱為Synthoplate的納米顆粒正在美國進行臨床前開發。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的臨床前階段。美國和其他地方的幾個學術和工業實驗室正在進行血小板的離體生產。血小板面臨的一個特殊挑戰是要求在生物反應器設計中包括一種在剪切下促進血小板通過膜脫落的方法。這個領域的一個著名代表是美國的血小板生物發生公司。它們產生由誘導多能干細胞分化成巨核細胞譜系的血小板。血小板的體外擴增在成本和工藝可擴展性方面面臨著與紅細胞生產相似的挑戰，需要在臨床試驗中進行測試，以確定它們能夠替代天然血小板的程度。
臨床試驗設計的挑戰
評估合成血液產品的安全性和有效性的臨床試驗面臨幾個重大挑戰。他們必須將新療法與現有產品進行比較。在以前的開發工作中，有人認為像六溴環十二烷這樣的“合成血液產品”可以與晶體或膠體相比較，因為標準血液產品在院前環境中是不可用的。在院前環境中提供標準血液產品的后勤挑戰是巨大的，但是在許多創傷系統中，包括軍事環境中，正在開發解決方案。因此，可能需要將新產品與標準血液產品進行比較的非劣效性試驗設計，或者至少包括標準血液產品的復蘇方法。此外，由于院前血液制品輸血與死亡率降低有關，使用不太嚴格的終點，如血液制品利用率降低，可能不足以滿足監管機構的要求。血液替代品臨床開發的歷史表明，新產品面臨著一個充滿挑戰的監管環境和一個需要強大結果的臨床機構。
