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给红细胞"披外套":浙大团队成功研制“通用熊猫血”
澎湃新闻2020-03-21 16:23:007阅

原标题:给红细胞“披外套”,浙大团队成功研制“通用熊猫血”

RhD阴性血素有“熊猫血”之称,临床上长期存在血源短缺、匹配不到血型的难题。浙江大学转化医学研究院王本副教授联合化学系唐睿康教授研究团队另辟蹊径,通过修饰红细胞表面,将供应充足的RhD阳性红细胞批量转换为RhD阴性红细胞,无需RhD血型匹配即可进行应急输血,不发生排异反应。这一方法有望高效地解决“熊猫血”血源短缺难题。研究论文于北京时间3月21日发表在Science Advances杂志。论文的第一作者是2015级化学专业博士生赵玥绮和2016级生物学专业博士生范明杰,通讯作者为化学系唐睿康教授和医学院王本副教授。“万能血”在哪里?人类对血型的了解开始于20世纪初。1901年,奥地利维也纳大学的卡尔·兰德斯泰纳教授首先发现了ABO血型。血型是根据红细胞表面的抗原来分类的。比如:表面含有抗原A的血细胞被称为A型血,含有抗原B的则被称为B型血,O型血细胞既没有抗原A也没有抗原B。 随着科学的进步,人类陆续发现还存在其他30多种血型系统,不同的血型系统采用不同的抗原划分标准。这其中,Rh血型系统被认为是除ABO系统之外最重要的系统,根据红细胞表面抗原D的有无,人类的血型统一划分为RhD阳性和RhD阴性两种。大多数人的红细胞上都存在抗原D,为RhD阳性血。在中国,新疆维吾尔族人RhD阴性的概率5%左右,蒙古族人接近1%;汉族人所占的比例极少,仅占0.3%,属稀有血型,如果同时考虑ABO和Rh血型系统,那么汉族人群AB型阴性同型人的机会不到0.03%,堪称罕见。“熊猫血”因此得名。 看看制备好的红细胞悬液标签,你可以轻易发现两种血型系统的标注:ABO血型和Rh血型。O型血一度被认为是“万能血”,可以输入给不同血型的病人。但自Rh血型系统被确认以来,人们意识到,对于RhD阴性的受血者来讲,输注常见的RhD阳性O型血也存在发生同种免疫的风险。“严格地讲,RhD阴性的O型血才是真正的‘万能血’”,王本说。当前,尽管医疗机构开展了一系列“熊猫血”献血员的登记与动员工作,但仍不能满足临床需要。在形势危急的情况下,若一时供应不上阴性血液,有时也只能输注阳性血抢救生命为先。穿件“外套”,遮蔽抗原“是否有可能修饰现有的红细胞,让其阳转阴?”唐睿康教授说。修饰血细胞最初的灵感来源于鸡蛋壳——给细胞披上一件仿生“外套”,遮蔽不想暴露的部分,或是加载新功能,科学家称之为“细胞表面修饰”。2014年6月,王本与他的导师唐睿康教授在英国Chemical Science杂志提出了一项红细胞改造策略:当红细胞“穿”上一层聚多巴胺(多巴胺为一种小分子)的“外套”,其表面抗原就会被遮蔽起来,成为ABO血型系统的“万能血”。围绕制造“万能血”的目标,英国爱丁堡大学的科学家曾提出过干细胞体外培养扩增的方法,理论上可行,但是成本相当昂贵。而“给细胞穿衣服”的思路则从化学生物学的角度另辟蹊径,一经提出就显示出一定的优越性。“概念非常灵巧。”美国卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的生物材料专家Christopher Bettinger当时评价说。 Chemistry World杂志随即把它作为亮点工作进行了报道,在文章的最后一段,作者认为,将这一思路应用在于Rh血型系统,应对“熊猫血”的短缺难题,在临床上将更有必要性、紧迫性。“我们是在给一个活的细胞‘穿衣服’,穿上之后,除了遮蔽抗体,还不能影响它的细胞膜流动性与变形能力,细胞的生物功能也不能受到影响。”王本说。RhD是镶嵌在红细胞膜上的一个跨膜蛋白,研究团队需要探索更精细和优化的操作。时隔6年,研究团队正式发布了红细胞的新款“外套”——他们找到了更好“布料”,试出了更优的“裁剪”,更重要的是,这一技术变得更为“万能”:实现了将RhD阳性红细胞转变成RhD阴性红细胞的目标,新型通用红细胞可以无需RhD血型匹配即可进行应急输血。“穿衣”之后:变与不变让我们一起来看看化学和医学联合研究团队设计的新版“外套”:
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图:RhD阴性血即“通用熊猫血”的制备过程示意图
研究者让一种类似于磷脂(细胞膜骨架分子)的分子在细胞膜上锚定组装,然后催化水凝胶单体发生交联,在RhD抗原的表面形成一层纳米级的三维水凝胶支架。在这里,科学家创造性的使用了一种空间控制聚合反应的新途径。“这个支架大概就200纳米厚,它镶嵌在红细胞膜上,遮蔽了目标抗体,同时不影响细胞的柔韧性。”王本说。“红细胞只有在具有一定的柔韧性,即变形能力的前提下,才能在血管中自由穿梭。”临床上,RhD阴性受血者在第一次接受RhD阳性血时是安全的,但是第一次受血后在体内会随之产生RhD抗体,在第二次接受RhD阳性血输注的时候就会发生溶血反应,造成严重的输血不良反应。为了验证“外套”的安全性与有效性,研究团队设计了进一步的动物实验:第一项实验是小鼠的三次异体输血实验,实验结果显示:三次输血,工程改造的红细胞在小鼠体内的存留时间、半衰期和未做处理的小鼠红细胞相当。“这一实验说明,工程改造的红细胞在体内的活力非常不错。”第一作者,博士生赵玥绮说。第二项实验是检验RhD抗原遮蔽效果。研究人员分别用人RhD阳性红细胞、改造过的人阳性红细胞输入新西兰大白兔体内,发现前者会让兔体内会产生针对RhD抗原的抗体,但是穿着“外套”的人RhD阳性红细胞输注不会让兔体内产生RhD抗体。“我们在输血后4周内没有看到抗体产生,可以认为遮蔽效果还在。”赵玥绮说,随后,红细胞会在脾脏被代谢清除掉。“和我们2014年的工作相比,这个方法对细胞的改造更好地保持了细胞膜的流动性和变形能力,在保证红细胞膜结构的前提下最大限度保持红细胞的生物功能。这也是这项研技术最大的挑战所在。”唐睿康教授说。三个应用场景在临床上,同型输血这一策略诞生已经100多年,由于血型抗原的限制,它仍是首选甚至是唯一的选择。能否开发出安全可靠的血型转换方法,适用应急输血以及缓解用血需求,是一项古老而艰巨的挑战,全世界从事这方面研究的实验室或许不到10家。2019年,Nature Communications上曾有一项研究提出用RhD基因敲除手段构建RhD阴性人红细胞,初步在细胞实验上证实了将RhD阳性红细胞转变为阴性的可能性,不过未见到体内实验的验证。同年,Nature Microbiology杂志发表了加拿大不列颠哥伦比亚大学的Stephen Withers的研究,他们用两种肠道细菌产出的酶,通过酶切的方法将A型血转变成O型血。王本说,这是在血型转换方面做出的一个可喜的工作,但是,“酶切这一方法或许不适合RhD阳性到阴性的转换,因为是RhD抗原镶嵌在红细胞膜内部,是一个跨膜蛋白,如果用酶切的方式切割的话,红细胞膜也会跟着遭到破坏。”王本说。浙大医学院附属第二医院输血科的医师廖昭平,是这项研究的成员之一。他负责从临床需求出发设计动物实验。他对细胞修饰技术用于制造“万能血”的应用前景抱有很大信心,他认为,这一技术至少存在三种应用前景:第一是缓解临床“熊猫血”供需矛盾。随着二胎政策的开放,越来越多的“熊猫血”妈妈有二胎需求,此项技术对于避免由于RhD阴性血液紧缺而导致产妇大出血后输入RhD阳性血产生抗D抗体的产生;第二种情况是,临床上进行异体同型输血时,存在受血者和献血员血液不匹配的情况,这一细胞修饰术有望在短时间内制造更为匹配的血液;第三种情况是,国家和地方血库的库存有时会出现某种血型特别短缺的情况,“这时也可考虑把富余的血型转换成短缺的血型,供应临床。”“目前临床上有强劲的需求,有很好的转化应用价值。”浙江大学医学院附属第一医院血液科主鸿鹄教授在了解到这一技术后认为,尽管该项研究在临床前基础科研方面取得了可喜的重大进展,但到临床还有很长一段路要走,需要进一步在灵长类动物中进行安全性和有效性研究,最后才能在人体进行临床试验,若获得成功无疑将造福“熊猫血”病人,具有重大的临床推广应用价值。这项研究受到了国家自然科学基金(81570168,21625105,31822019)和浙江省杰出青年基金(LR16H180001)资助。(原标题 Sci. Adv. | 红细胞“穿衣服”,批量制造“熊猫血”)

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