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  • 人造血液正在路上

        张田勘

        近日,以日本防卫医科大学研究人员为主的日本研究团队宣布,他们成功开发出了一种可以挽救许多人生命的人造血液。目前,这种人造血液已经在兔子身上试验并获得部分成功,对10只大出血的兔子输注人造血液,6只兔子获救。而且,这种人造血液适合任何血型,可保存一年以上。

        人类对人造血液的追求其实已经走过了很长一段路,这种追求还在路上。

        另一种人造血液研究试验

        另一方面,血红蛋白氧载体(HBOC)的人造血液研究也方兴未艾。HBOC与血液相似,主要是利用其与红细胞中的血红蛋白携氧的功能作为血液的替代品,它们在颜色和形态上更像人血,呈暗红色或紫红色,由灭菌处理的血红蛋白制成,是一种没有细胞成分的人造血液。

        生产HBOC的血红蛋白有多种来源,比较适宜的是过期的人类血液的红细胞、人类胎盘,其次还可以用牛血红细胞等。但是,这些血红蛋白都要经过处理,不能直接输入人体。因为,即便血红蛋白进入人体可以起到携带和释放氧气的功能,但如果没有细胞膜的保护,血红蛋白的分解速度会非常快,而且还会产生副作用,如导致肾脏严重损伤。

        因此,现在的HBOC大多使用比天然分子坚固得多的改进型血红蛋白,或者对血红蛋白包裹一层生物保护膜。

        但是,HBOC人造血也有显著的缺点,它在人体血液中比红细胞100天的循环周期短得多,只停留一天左右,而且HBOC还可进入细胞间的微小空间结合一氧化氮,可导致病人血压升高,还可导致腹部不适和绞痛,原因很可能是由于自由基的释放。

        美国一家医药公司开发的一款牛源血红蛋白人造血产品“血纯”,是从牛血中获得的高纯度、无病原微生物的牛血红蛋白,再用戊二醛进行聚合,提升这种人造血液的性能,并降低其副作用。“血纯”在常温下保存期在3年以上,与各种血型都具有较高的兼容性,运输氧气的能力与正常血液相当,但副作用发生率比输血高出约5%。

        由于南非有较高的艾滋病感染率(13%左右),因此“血纯”早在2001年就被南非政府批准用于外科手术和治疗贫血。不过,由于“血纯”有一些副作用,而且存在疯牛病等动物源病毒感染风险,美国食品和药物管理局尚未批准该产品在美国使用,但是,他们同意“血纯”试验性使用于一些疾病,如治疗自身免疫性溶血性贫血。

        没淹死的老鼠带来了启示

        用人造血液替代人自身血液的想法产生于第一次和第二次世界大战之间和之后,当时战场上死亡者太多,其中重要原因是伤员失血过多。另一个原因是,自从1900年奥地利医学家卡尔·兰德斯坦纳发现ABO血型后,输血既受到献血者人数和献血量的限制,还受制于血型。

        如果能研制一种血液的替代品,而且不受供血者和受者血型的限制,就有可能挽救大量伤病员的生命。1947年,首次应用于临床的右旋糖酐是最早的“人造血液”。右旋糖酐在人体内水解后会转变成较低分子量的化合物,与血浆具有相同的胶体特性,会迅速代谢成葡萄糖,并能扩充血容量、维持血压,因此可用于出血及外伤休克时急救。直到今天,这一方式也还在使用。

        20世纪60年代,一次意外的契机和发现,启动了人造血液从设想迈向现实的第一步。

        1966年年初的一天,美国辛辛那提医院儿科教授利兰·克拉克和其助手在做一项生物化学试验时,一只老鼠意外掉进了一种白色的氟化碳溶液中。当时克拉克和助手们并不知道这个情况。几个小时之后,大家做完试验整理容器和器械时,发现了那只可怜的老鼠。但是,它没死,而且像鱼一样在白色溶液里活蹦乱跳。

        一般情况下,老鼠掉进水里或溶液里都会淹死,但这只老鼠却能在一个装有氟化碳溶液的瓶子里长时间存活,其中必有原因。随后克拉克再次把一只小鼠放进一个盛有全氟碳液体的烧杯中,使其浸没在液体里。过了几小时小鼠居然还活着。原因在于,这种特殊的氟碳液体能携带足够的氧气以维持生命,而且没有毒性。克拉克在1966年6月24日的《科学》杂志发表文章提出,能否利用氟化碳携带和输送氧气并排出二氧化碳的特性来研制人造血液。

        在克拉克的启示下,1978年,日本医生内藤良一和其同事用全氟碳奈烷和全氟碳三丙胺的混合物做原料,经乳化制得一种氟化碳化合物,并且在自己身上注射了200毫升,反应良好。1979年4月3日,一名61岁的日本老人患胃溃疡,吐了大量的血,需要手术。手术者正是福岛中心医院的内藤良一医生。但是这名病人的血型极为罕见,医院里没有这种血型的血液。内藤良一决定为病人使用他们发明的全氟碳人造血。他们给病人输注了1000毫升人造血,结果手术成功了,病人起死回生。

        此后,研究人员进一步认识到,全氟碳人造血的黏度同人血差不多,比重比人血略大些。但它在某些方面比人血的功能更好,不仅可以扩充血容量,而且携带氧气和排出二氧化碳的能力比人血大约高出2倍,也不受血型限制,任何人都可以输注,其化学稳定性也好,可存放时间达半年,对人体无害,在体内64小时后可自动通过肺部呼吸和尿液排出体外。因此特别适用于大出血急救和一些大型手术。

        1980年,中国科学院上海有机化学研究所和第三军医大学经过5年努力研制成功人造血,于6月19日和6月30日在上海第一医学院附属中山医院分别给两位病人输入,患者无任何不良反应,并且都完全康复。

        全氟碳(PFC)只含氟原子和碳原子,因此又叫“氟碳人造血液”,或人造白色血液。但是,这种血液的缺点也显而易见。由于没有人血的营养成分,因而不能输送营养物质;由于不含血小板,因而没有凝血功能;由于不含白细胞和多种抗体,没有免疫力,也就不能抗感染。

        人类正不断改进和完善人造血液

        无论是PFC,还是HBOC,都只能替代一部分血液的功能,即红细胞携氧和排出二氧化碳的功能,因此,这样的人造血液并不足以完全替代人的血液。但是,它们也有明显的作用,包括在急救和战场上用于创伤失血,以恢复人体供氧能力;供手术过程中的突然急需输血、治疗贫血病,以及维持通向肿瘤组织的氧流量,以使化疗更为有效等。另外,人造血液还可以避免人血中的多种病原微生物,如艾滋病病毒、各种肝炎病毒传播的疾病,还可提供对某些患者的高氧治疗,如抢救一氧化碳中毒的病人。

        但是,人的血液有大量的成分,还有很多生理功能,其中蕴含了许多复杂的机理。人血中除了红细胞,还有多种类型的白细胞和抗体(执行免疫功能)、血小板(执行凝血功能)和多种营养物质。如果能研制出具备人血所有成分的全血,才算是人造血液的完全成功,这当然很困难,也是人类的一个远大目标。

        2011年,巴黎居里大学的研究人员从一名志愿者的骨髓中提取出造血干细胞,并利用一组混合生长因子诱导这些细胞生长发育成红细胞。2013年12月,有日本研究人员称,利用干细胞培育出能够携带氧的红细胞,在此基础上有望大量培育用于输血的红细胞,这种源自人自身干细胞发育成的红细胞显然比PFC和HBOC都有更大的优点,因为它们本身是“原装”的,更能适应人的生理功能。

        至于用诱导的多能干细胞生成红细胞来制造人造血,也有一些国家如英国在投入研究。英国的苏格兰国家输血服务中心和英国爱丁堡大学的研究团队正在利用诱导多能干细胞技术培养出人造红细胞,并对一些地中海贫血患者开展临床试验。

        在改进和完善人造血液方面,美国研究人员正在研发一种称作六氟化硫的合成液体。六氟化硫可溶解大量氧气,成本低廉,也易于制作,并且储藏简单。但在操作过程中,病人需要通过特定面具吸入70%-100%的氧气,因此,在医院以外的环境下使用可能受到限制。

        此次日本研究人员研制的是一种改进型的人造血液,包含人造血小板和人造红细胞,用一种叫做脂质体的细胞膜成分制成非常微小的“袋子”,即直径为250纳米的血红蛋白囊泡,然后分别往里面填入血小板和血红蛋白。这种血液的进步是有了血小板,因此除了能供氧和排出二氧化碳外,还有凝血功能。

        世界卫生组织统计,每年全球会有1174亿单位的捐献血液,但这个数量远远不够临床使用。如果各种人造血液能成功和大量应用于临床,就会为解决血荒,以及避免输血传染疾病做出巨大贡献。

  • 摸得着的虚拟现实技术诞生了

        石云雷

        在一项发表于《自然》的最新研究中,美国西北大学和中国香港城市大学的科学家发明了一种能远程传递触觉感受的虚拟现实(VR)技术。这项技术用到了一种新型轻巧、无需充电的柔性触觉贴片,它能让异地的亲人直接感受对方的触摸,还能让假肢携带者感受对物体的触碰。而这种触觉贴片,也将触觉整合到虚拟现实和增强现实(AR)中,能让游戏玩家切身感受游戏角色参与的战斗。

        一位母亲坐在电脑前与她的小孩进行视频聊天。当她轻轻地触摸视频屏幕上的孩子时,贴在孩子背部的一张无线触觉贴片,开始随着他母亲手指的抚摸发出相匹配的振动,让孩子“感受”到母亲真实的触碰。

        科学家、科技公司和DIY玩家都测试过可穿戴的触觉设备,通常是携带振动马达的背心和手套。但这些触觉设备通常需要重型电池来供电,还连接了大量的电线。由于这些设备的重量,它们只能松散地接在身体表面,而不是与皮肤紧密连接。

        为了解决这个问题,美国西北大学的物理化学家和材料学家约翰·罗杰斯与合作者研发了一种只有几毫米厚的、消耗电量很少的圆盘形振动制动器。每个制动器能以最快每秒200个循环的速度产生共振,这样能向穿戴者皮肤最大程度地传递触觉感受。这些制动器能产生一系列的物理振动,但需要的能量特别少。新设备中的单个制动器需要的电量不足两毫瓦,相比于之前的触觉设备,对能量的需求降低了不止一个数量级。在此基础上,研究人员能创造多种新型移动设备,只需要一个电池就能有效供电,也可以无线供电。

        研究团队将由32个制动器构成的电子设备层,嵌入上下两层具有防护作用的硅树脂薄层之间。最终,他们得到的产品是一种轻型的、类似丝质材料制成的柔性贴片。就像潜水衣一样,可以弯曲和扭曲,当穿戴者在移动时,能与穿戴者的皮肤一直保持接触。

        目前,研究人员已根据不同的身体部位,测试了多种由原型改造的不同形状和大小的触觉贴片,例如为手背设计了圆形的贴片,为上背部设计了X形的贴片。

        除了母亲与孩子的视频触觉聊天,在另一项展示中,一个下臂截肢者利用假肢抓住了一杯啤酒。假肢的手指上都装有传感器,能将信息传递给截肢者上手臂的触觉贴片,让他获得机械手臂握住啤酒杯的触觉。

        另一位受试者体验的是战斗类游戏,每当他的游戏人物受到攻击时,他穿戴的多种触觉贴片就会将触觉信息传递到他真实身体的相应部位。

        (特约《环球科学》杂志供稿)  

  • 我国培育出第一块肌肉干细胞培养肉

        陈席元

        据南京农业大学发布的消息,近日该校周光宏教授团队用动物干细胞生产出肌肉干细胞培养肉。该团队使用第六代猪肌肉干细胞,经过前后20天的培养,得到重达5克的培养肉。

        据了解,培养肉是指用动物肌肉干细胞培养、生产可食用的肉类。培养肉技术是一种新的动物蛋白生产技术,一般先通过活体采样,获得动物的肌肉组织,再从组织中分离出肌肉干细胞,并在富含营养成分的营养液中培养出肌肉前体细胞,最后在三维支架材料中将肌肉前体细胞分化为成熟的肌肉组织。

        周光宏表示,此次研发出的干细胞培养肉,经处理可以具备与天然猪肉肉糜类似的食用品质。干细胞培养肉未来作为食品上市,还要经过规模化生产技术的突破、产品安全性等相关性能的评估,以及生产流通过程的监管等。

  • “不粘马桶”让冲洗更轻松

        悠悠

        使用马桶时,可能每个人都遇到过这样的尴尬:排泄物在马桶壁上留下痕迹,难以冲洗。这样不仅不美观,也带来了卫生隐患。

        目前,已经有一些防水涂层用在马桶上。这些材料面对液体效果良好,却不能对付固体残留物。

        美国宾州州立大学自然灵感工程实验室的黄得胜教授带领研究团队,研发了一款“超滑涂层”。使用这种涂层制造的马桶内壁,真正做到了“不粘连”,可以使单次冲刷的用水量减少至少一半。研究者是从猪笼草身上汲取了灵感,制造出新型超滑材料。令人惊叹的是,将普通的陶瓷马桶改造成不粘马桶,只需要两个喷涂的步骤,用时只有5分钟。

        这种涂层拥有众多优点,但它也有自己的问题:不能一劳永逸。如果是普通的一家三口使用这款马桶,可能一个月内就需要添加新的涂层。这样的技术需要在将来得到改进,从而“最终实现可持续性”。

  • 黑牛喷涂“斑马纹”被蚊虫叮咬次数减半

        卡麦拉

        日本中部农民对奶牛进行一项特殊实验,证明一种创新、受自然启发的方法可以有效解决农业虫害问题。

        斑马和其独特的黑白条纹曾引起科学家们的浓厚兴趣,他们提出许多解释理论,分析为什么一些物种身体会形成黑白条纹,最终达成的研究共识是:黑白相间曲折图案是一种动物进化策略,可预防昆虫叮咬,尤其是携带致命疾病的害虫。

        斑马的杂色皮肤能有效抵御害虫,为什么日本奶牛不喷涂杂色皮肤颜色呢?位于日本名古屋附近的爱知县农业研究中心的工作人员决定对日本黑牛进行一项特殊实验。

        他们使用水基喷漆,每天早上对一组奶牛身体喷涂一层大约5厘米宽的白色条纹,使黑牛身体呈现类似斑马的皮肤结构。之后研究人员坐在奶牛旁观察记录飞虫叮咬情况,每隔30分钟拍摄一次,并用胶捕器捕捉飞虫样本。实验结果表明,“斑马奶牛”遭受害虫叮咬的次数仅是对照组的一半。

        本版部分图片/IC Photo