《Nano Today》：ROS-responsive hydrogen-generating microspheres for ultra-long red blood cell preservation
编辑推荐：
摘要在现代医学中，输血是一项不可或缺的治疗手段，但红细胞的有效保存时间却受到限制。虽然美国食品药品监督管理局批准的低温保存方法可将红细胞的保存时间延长至42天，但储存时间过长的红细胞，尤其是超过21天的“陈旧血液”，在临床输血过程中可能会引发各种不良反应。在此，我们开发了一种自调
摘要
在现代医学中，输血是一项不可或缺的治疗手段，但红细胞的有效保存时间却受到限制。虽然美国食品药品监督管理局批准的低温保存方法可将红细胞的保存时间延长至42天，但储存时间过长的红细胞，尤其是超过21天的“陈旧血液”，在临床输血过程中可能会引发各种不良反应。在此，我们开发了一种自调节红细胞保存系统（SRPS），该系统基于对活性氧响应的磁性微球，能够实现生物活性氢的生成以及快速磁力回收。这些微球可以感知系统内的氧化应激情况，并按需释放具有强还原性的氢气，从而为红细胞营造出动态的保护性微环境。从机制上来看，SRPS能够减少活性氧的积累，同时有助于保持红细胞在储存过程中的NADH相关氧化还原状态。在42天的储存期内，与常规保存系统相比，SRPS可将活性氧造成的损伤降低50%以上，同时还更能维持红细胞的多种生物功能，包括ATP、2,3-DPG和GSH水平。值得注意的是，经过SRPS处理的红细胞在70天的低温储存后，其溶血率仍低于0.79%，这一数值低于储存红细胞产品所规定的质量控制标准。这项研究为减轻红细胞储存过程中的损伤提供了新策略，同时也展现了生物还原材料在长期保存治疗用细胞及其他重要生物样本方面的潜力。
引言
输血是治疗从白血病到严重创伤等多种疾病的重要手段。然而，由于红细胞的有效保存时间有限，全球的血液供应面临严峻挑战。根据世界卫生组织发布的全球血液安全数据库，每年约有1.2亿份捐赠的血液因过期而被丢弃[1]。尽管目前美国食品药品监督管理局批准的保存方法允许在4℃下将红细胞保存42天，但红细胞的功能实际上早在更早阶段就开始衰退。储存超过21天的红细胞被称为“陈旧血液”，这类血液会积累大量的“储存损伤”，进而引发高钾血症诱发的心律失常、多器官功能衰竭以及免疫性溶血性输血反应等严重并发症[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这些风险凸显出迫切需要能够有效延长红细胞功能保存时间的保存方法。
储存损伤的产生主要源于活性氧所引发的氧化损伤[7]、[8]、[9]、[10]。目前所采用的缓解策略，比如在常规保存液中添加超氧化物歧化酶、谷胱甘肽或特罗洛克斯等抗氧化剂，存在一定的局限性[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。这种粗放式的抗氧化剂添加方式无法完全消除活性氧，还可能带来有害的渗透压应力，进而导致细胞进一步死亡。另外，使用氮气等惰性气体实现的厌氧保存方法效果也较为有限，因为它们无法消除细胞通过非氧依赖途径产生的活性氧[17]、[18]、[19]。氢气则被认为是一种具有选择性和温和抗氧化特性的理想治疗物质[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。不过，此前尝试利用氢气进行红细胞的厌氧保存时，其保存时间始终无法超过42天。这一限制是由于氢气的生物还原能力较弱，且与红细胞的相互作用有限所致。值得关注的是，钯纳米晶体或许可以克服这一限制。有研究显示，钯纳米晶体是一种高效的氢存储材料，具备持续释放氢气的能力[28]、[29]、[30]、[31]、[32]，而且由于钯的催化作用，这类纳米晶体还具有更强的生物还原性能[33]。
在此，我们基于海藻酸-MNPs-PdHn水凝胶微球开发了一种自调节红细胞保存系统（SRPS），这种微球是将氢化钯纳米晶体和磁性纳米粒子整合到海藻酸微球中的复合结构。该设计将应对氧化应激的还原保护功能与磁力回收功能相结合。氢化钯纳米晶体能够提供生物还原作用，并根据活性氧水平的升高来释放氢气，从而减轻氧化储存损伤。与此同时，磁性纳米粒子使得在保存完成后可以通过磁力轻松回收这些微球，提升了该系统的实际应用价值。这种双功能设计有助于在红细胞保存过程中维持其多种生物功能。使用SRPS保存的红细胞在21天后仍能较好地保持与储存相关的各项指标，避免了“陈旧血液”带来的问题。到42天时，采用SRPS保存的红细胞的抗氧化能力是传统保存方法的两倍，而溶血率则降低了50%。在63天的超长期保存过程中，使用SRPS保存的红细胞在功能指标、形态以及溶血率方面均优于以往的研究结果。尤为重要的是，即便经过70天的储存，其溶血率依然仅约为0.79%[34]。这项研究为长期红细胞保存提供了一种有效的策略，有望解决血液储存与供应方面的难题。
内容片段
Alg-MNPs-PdHn微球的合成与表征
Alg-MNPs-PdHn微球的合成方法如图2A-B所示，氢化钯纳米晶体和四氧化三铁磁性纳米粒子被封装在交联的海藻酸水凝胶微球中。根据先前的研究，钯元素，尤其是纳米级别的钯，被认为是一种出色的氢存储材料[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。因此，我们首先合成了钯纳米晶体，并将其作为氢载体用来形成氢化钯纳米晶体。从图2E-F可以看出，通过扫描电子显微镜和动态光散射等技术
结论
总之，我们开发了一种可回收的生物还原微球系统，可用于减轻红细胞在长时间低温保存过程中的损伤。这类微球具有对活性氧响应的氢气释放特性，能够在活性氧浓度升高的情况下增强储存微环境的还原缓冲能力。通过减轻氧化应激，SRPS改善了红细胞储存质量的多个指标，包括溶血率、细胞内活性氧积累程度、谷胱甘肽含量以及ATP/2,3-DPG比例等。
实验部分
材料：四氯合钯酸钠、溴化钾、亚甲蓝、硼氢化钠、六水合三氯化铁、四水合二氯化铁、氨水、还原型谷胱甘肽、6-羟基-2,5,7,8-四甲基色满-2-羧酸（特罗洛克斯）均购自中国天津的Heowns公司。聚乙烯吡咯烷酮、L-抗坏血酸、海藻酸钠则购自Sigma-Aldrich公司。氯化钙
CRediT作者贡献说明
田云青：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、可视化处理、软件应用、方法设计、实验研究、数据整理、概念构思。马一鸣：论文撰写——初稿撰写、可视化处理、结果验证、软件应用、方法设计、实验研究、数据整理、概念构思。杨静：论文撰写——审阅与编辑、项目监督、资源协调、项目管理工作、方法设计、数据整理、概念构思。张雷：论文撰写——审阅与编辑、项目监督、项目整体管理
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：22525804、T2422014、22478296、52373117）、天津市自然科学基金项目（编号：23JCYBJC01400）以及天津市重点医学学科建设项目（编号：TJYXZDXK-3-003A）的财政支持。
田云青|马一鸣|张翔宇|窦一丹|刘宏|杨静|张雷
中国天津市天津大学合成生物学与生物制造学院生物工程系，合成生物学国家重点实验室，合成生物学前沿科学中心，邮编：300350
