Artificial oxygen carriers, from nanometer- to micrometer-sized particles, made of hemoglobin composites substituting for red blood cells
Takashi Matsuhira, Hiromi Sakai*
Keywords: Blood substitutes; Cross-linking; Hemoglobin (Hb)-based oxygen carriers (HBOCs); Liposome; Supramolecular assembly; Transfusion alternatives
DOI: 10.1016/j.partic.2021.08.010
输血是一种常用的治疗方法，为人类健康做出了巨大贡献，其中最常见的是红细胞输注。尽管目前输血技术已十分成熟，但仍存在传染病感染风险、存储期短、血型匹配困难等问题，而灾害、恐怖袭击等突发情况可能会使红细胞需求量突增，但出生率下降和人口老龄化问题又导致红细胞来源减少，使得红细胞短缺问题更为突出。
为解决输血中存在的上述问题，奈良医科大学Hiromi Sakai教授在PARTICUOLOGY上发表综述，总结了基于血红蛋白的人造氧载体研究，通过不同高分子材料、采用不同方式封装血红蛋白，模拟红细胞结构。这些人造氧载体从纳米尺寸到微米尺寸不等，均不携带病原体、具有长期稳定性，预计可用于解决当前的输血问题。
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文章简介
血红蛋白（Hb）是血液中最充足的蛋白质，这与其输送氧气以维持机体生命活动的关键作用密不可分。基于血红蛋白的氧载体（HBOCs）是人工氧气运输载体，可模拟血红细胞的结构，替代其运输氧气的作用。文章概述了HBOCs的分类及其历史、制备、结构、功能、体外和体内特性，并详细介绍了对脂质体包裹血红蛋白的囊泡（HbV）的研究，模拟红细胞的重要生理结构，将为最终实现红细胞输注替代方案提供重要策略。制备的完全脱氧的HbV可在环境温度下储存数年。HbV 作为红细胞替代品的安全性和有效性已从动物研究中得到证实，目前已根据GMP（Good Manufacturing Practice）和一期临床试验要求开始生产。
图文精读
如图1所示，基于血红蛋白复合材料制备的HBOCs主要有六类，分别是交联血红蛋白（Crosslinked Hb）、聚合物共轭血红蛋白（Polymer-conjugated Hb）、聚合血红蛋白（Polymerized Hb）、包封血红蛋白（Encapsulated Hb）、结构调控的血红蛋白（Structurally regulated Hb polymer）、其他血红蛋白载体（Other HBOCs）等。
图1. 从纳米级到微米级由Hb复合材料制备的各种HBOCs，用于替代红细胞
在构建HbV的过程中，首先将浓度为35%的HbCO包封获得40 g/dL脂质体，1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱是构建脂质双层的主要成分。此外，1,5-O-二十六烷基-N-琥珀酰-L-谷氨酸盐在脂质体表面上提供负电荷，以防止通过静电排斥形成层状结构。1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸亚乙基乙醇胺-N-PEG5000可提高生物相容性。胆固醇通过增加膜的柔韧性，抑制脂质双层的相变，促进脂质体的形成。将其中Hb浓度调整至10 g/dL后，通过可见光照射将HbCO转化为HbO2，然后暴露于N2中获得暗红色的脱氧HbV（图2）。HbV溶液不具有胶体渗透压，当作为红细胞替代品时，需要将其悬浮在5%白蛋白溶液或其他胶体溶液中，以将渗透压调节至生理值。
图2. 脱氧HbV和携氧HbV的颜色差异（左）；HbV示意图以及膜的四种脂质组成的化学结构（右）
HbV作为红细胞替代品的安全性也在GLP（Good Laboratory Practice）的临床前研究中，在啮齿动物和狗等实验动物上得到了确认，包括单剂量和重复剂量的毒性研究、安全药理学研究、免疫原性试验等。目前已根据GMP（Good Manufacturing Practice）和一期临床试验要求开始生产HbV。
总结
从纳米级到微米级的基于血红蛋白的各类人造氧载体（HBOCs），由于其不携带病原体、具有长期稳定性等优点，可用作红细胞替代品使用。在众多HBOCs中，HbV是一种理想的人造氧载体，其具有均一适中的粒径、高Hb承载能力、生物相容性好、稳定性强，并具有较好的体内安全性和有效性。HbV的结构与红细胞和细胞膜的磷脂双分子层非常相似，因此代谢类似于红细胞。临床上，人们正在加紧寻找安全有效的红细胞替代品。这种HbV人造氧载体有望为红细胞替代品的研发提供新的思路。
通讯作者
Hiromi Sakai教授1994年博士毕业于日本早稻田大学高分子化学专业，现在奈良医科大学化学系工作，主要从事生物大分子和生物医学工程方面的研究，目前正在进行人工红细胞制剂应用的项目。
学术支持：中科院过程所吕岩霖副研究员
编辑：《颗粒学报》编辑部