综述：生物合成血液替代品：现状与未来机遇

《Bioengineering & Translational Medicine》：Biosynthetic blood surrogates: Current status and future opportunities

本综述系统梳理了生物合成血液替代品的研究进展，重点聚焦于基于生物材料设计的红细胞（RBC）和血小板（Platelet）替代物。文章深入探讨了血红蛋白基氧载体（HBOC）、全氟碳化合物（PFC）氧载体系统、合成血小板模拟物及血浆扩容剂等多种技术路径，分析了其在解决献血依赖、储存期短、感染风险等输血医学核心挑战方面的潜力与现有瓶颈，为未来开发可大规模生产、无菌、可长期储存且能按需使用的通用型血液替代品指明了方向。

　　

Abstract

血液是一种液态结缔组织，其循环对于生命至关重要，负责运输气体和营养物质、维持免疫监视、促进必要的凝血以防止出血，并维持渗透压和体温。然而，输血面临献血者短缺、保质期有限、输血相关感染风险以及复杂的血库和运输物流等巨大挑战。生物合成血液替代品旨在模拟血液成分的关键功能，同时规避献血来源血液制品的局限性，已成为一个重要的研究方向。

Translational Impact Statement

输血对于在妊娠相关出血、创伤性损伤、手术以及遗传性或获得性出血并发症中拯救生命和支持健康至关重要。然而，目前所有血液制品均来自献血者，且献血者持续短缺。此外，捐献的血液制品还面临污染风险、保质期有限、便携性差和需要特殊储存等挑战。生物合成血液替代品可以为解决这些关键挑战、保护全球健康提供挽救生命的解决方案。

1 INTRODUCTION

血液被视为“液态结缔组织”，包含细胞成分（如红细胞、白细胞、血小板）和非细胞成分（如蛋白质、盐类）。血液循环对生命至关重要。输血是将捐献者来源的血液输入受体患者体内的临床方法。尽管输血已成为临床主要手段，但其面临献血者短缺、保质期短、污染风险以及感染/免疫风险等挑战，这促使了对“献血者非依赖型”解决方案的广泛兴趣。

一种途径是基于干细胞在体外生物反应器中生产红细胞和血小板（称为“血液制药”）。然而，该方法在细胞保真度、标准化协议、规模化生产和成本效益方面仍存在重大转化挑战。另一种（且可能互补的）途径是开发基于生物材料的血液替代品，其能够功能性模拟血细胞的生物学机制，同时允许可重复的大规模体外制造、灭菌和长期储存，具有普遍适用性（无需配型）并可广泛按需使用。

2 RBC SURROGATES AND OXYGEN CARRIER SYSTEMS

红细胞的主要功能是通过其内部的血红蛋白（Hb）运输氧气（O₂）并部分运输二氧化碳（CO₂）。设计红细胞替代品面临氧气运输的热力学和动力学方面的复杂挑战。从生物材料的角度来看，正在开发的三大类红细胞替代技术是：（1）血红蛋白基氧载体（HBOC）、（2）全氟碳化合物（PFC）基系统、和（3）铁（Fe²⁺）包含的卟啉系统。

2.1 Hemoglobin-based oxygen carrier (HBOC) systems

HBOC使用来自生物来源的血红蛋白作为携氧成分。血红蛋白可直接使用，或通过化学修饰或封装在“载体颗粒”中进行保护和循环稳定性增强。早期的产品如HemAssist（Diaspirin交联人Hb）、Hemopure（戊二醛聚合牛Hb）、PolyHeme（戊二醛聚合人Hb）等，在临床试验中显示出高血压、微血管功能障碍、肾毒性等风险，部分产品开发已终止。聚乙二醇化（PEGylation）血红蛋白（如Hemospan）等策略旨在提高循环稳定性，但一氧化氮（NO）清除问题仍是关键障碍。新兴策略包括将血红蛋白与抗氧化酶（如过氧化氢酶CAT、超氧化物歧化酶SOD）结合形成PolyHb-SOD-CAT，或将血红蛋白与人血清白蛋白（HSA）偶联形成核心-壳结构簇。

2.1.2 Encapsulation of Hb for HBOC applications

将血红蛋白封装在微粒和纳米颗粒载体系统中是另一种重要策略。早期工作由Thomas Chang教授报道，将Hb封装在胶棉或聚乙二醇-聚乳酸（PEG-PLA）基聚合物微囊中。后续发展包括脂质体封装血红蛋白（LEH）及其PEG化版本（HbV）。HbV显示出比天然红细胞更高的Hb载量（~35 g/dL）和更长的循环半衰期（~60小时），并减少了NO清除和肾毒性问题。此外，血红蛋白也被封装在聚合物囊泡（polymersomes，形成PEH）、多层组装结构以及通过模板法形成的微球中。新兴研究还致力于模拟红细胞的生物物理特性（如双凹圆盘形状、柔韧性）和表面电荷，或利用红细胞膜进行生物界面修饰（biointerfacing），以改善其体内循环和功能。

2.2 Perfluorocarbon (PFC)-based oxygen carrier systems

PFC是生物惰性化合物，氧气可通过范德华力作用物理溶解其中，其氧结合动力学遵循亨利定律，呈线性关系，与Hb的S形曲线不同。PFC需要乳化后才能静脉注射。早期产品Fluosol-DA因携氧能力低、保质期短、副作用多而被召回。新一代PFC乳液如Oxygent（全氟辛基溴等）、Oxyfluor（全氟二氯辛烷等）和Oxycyte在临床前研究中显示出前景，但一些临床试验因心血管事件和卒中风险增加而终止。产品Perftoran在俄罗斯有广泛应用。近期也有研究将PFC乳液用红细胞膜包被以改善其性能。

2.3 Synthetic porphyrin-based oxygen carrier systems

该类系统直接使用Fe(II)卟啉化合物进行氧运输。例如，“栅栏”Fe²⁺卟啉分子、嵌入磷脂双层的两亲性Fe²⁺-卟啉（LipidHeme）以及与环糊精二聚体形成的复合物（HemoCD）等。这些设计显示出类似Hb的氧亲和力，但在水环境中的自氧化和循环稳定性是需要解决的问题。目前，该类系统的转化进展落后于HBOC和PFC系统。

3 PLATELET SURROGATES AND HEMOSTATIC BIOMATERIALS

血小板在止血过程中发挥多重作用：快速粘附于损伤部位暴露的血管性血友病因子（VWF）和胶原；活化后通过纤维蛋白原（Fg）介导聚集；呈现磷脂酰丝氨酸（PS）以放大凝血酶生成；分泌多种促凝和稳凝分子；以及促进血块回缩。血小板输注面临捐献者短缺和室温储存保质期短（~5-7天）的挑战。基于生物材料的合成血小板替代品旨在模拟血小板的止血机制。

3.1 Design of synthetic platelet surrogates using biomaterials-based particulate systems

早期设计包括“血小板体”（Plateletosomes）和“可输注血小板膜”（IPM），它们利用提取的血小板膜成分。近期则采用血小板膜包被合成纳米颗粒（生物界面策略）。另一种策略是在脂质体、聚合物或白蛋白颗粒表面生物偶联重组蛋白片段（如rGPIbα, rGPIa-IIa）或小肽来模拟血小板功能。例如，使用VWF结合肽（VBP）、胶原结合肽（CBP）和纤维蛋白原模拟肽（如RGD肽、H-12肽、环状RGD肽cRGD）来功能化颗粒表面，使其能够模拟血小板的粘附和聚集。研究表明，将粘附功能（VBP+CBP）和聚集功能（FMP）异质多价地整合在同一颗粒表面（如SynthoPlate技术），可产生协同作用，显示出比单一功能颗粒更强的止血效果。此类系统还可用作靶向递送止血剂（如ADP、氨甲环酸TXA、凝血酶）的平台。此外，研究还探索了模拟血小板生物物理特性（如盘状形状、柔韧性）的颗粒设计，例如血小板样颗粒（PLP），其能够模拟血小板介导的血块回缩功能。其他非颗粒型静脉止血剂，如靶向组织因子（TF）的肽两亲物纳米纤维、可交联纤维蛋白的聚合物（polySTAT）以及基于透明质酸的聚合物（HAPPI）等，也显示出止血潜力。

4 BIOMATERIALS APPROACHES TO DESIGN WBC MIMICS

白细胞（WBC）如中性粒细胞和巨噬细胞，负责免疫监视和清除病原体。设计WBC模拟物的研究相对较少。一些方法包括在合成颗粒表面修饰针对炎症内皮细胞受体的抗体（如E-选择素、P-选择素、VCAM-1、ICAM-1），或使用白细胞（如巨噬细胞、中性粒细胞）来源的膜包被纳米颗粒（如“白细胞体”Leukosomes），以实现对炎症部位的靶向药物递送或中和促炎因子。

5 PLASMA EXPANDERS, FREEZE-DRIED PLASMA AND COAGULATION FACTOR CONCENTRATES

用于恢复血管内容积的血浆扩容剂主要包括晶体液（如生理盐水、林格氏液）和胶体液（如人血清白蛋白HAS、明胶、羟乙基淀粉HES、右旋糖酐）。它们各有优缺点和潜在的副作用。新鲜冰冻血浆（FFP）、冻干血浆（如OctaplasLG?）和喷雾干燥血浆（如FrontlineODP?）等产品可以延长储存期。特定的血浆衍生物，如冷沉淀、凝血酶原复合物浓缩物等，已获批用于特定出血并发症。新兴的聚合物系统（如PEG、超支化聚甘油醇）也在研究中用于低血压复苏策略。

6 DISCUSSION

生物合成血液替代品有潜力解决输血医学在可获得性、储存和物流方面的关键挑战。它们可以作为天然血液产品的补充或桥接技术，特别是在捐献血液短缺或无法及时获取的情况下。将红细胞替代品、血小板替代品与血浆或凝血因子浓缩物联合使用，构成生物合成全血替代品，是一个有前景的方向。然而，其临床转化需要克服科学（如安全性、有效性、药代动力学）、制造（GMP规模化生产）和监管（FDA分类和审批路径）方面的挑战。

7 AN OPPORTUNITY FOR GLOBAL HEALTH EQUITY IN TRANSFUSION MEDICINE

全球范围内，血液制品的采集、检测、储存和利用存在显著差异，中低收入地区面临更高的输血传播感染风险。生物合成血液替代品由于其合成性质，可能无需血型匹配，具有普遍适用性。通过大规模GMP生产和冻干技术，这些产品有望实现长期储存和便捷运输，从而弥补全球健康差距，为因宗教信仰（如耶和华见证人）或血型罕见而无法接受传统输血的患者提供选择，最终促进输血医学的公平性。