給紅細胞“披外套”,浙大團隊成功研製“通用熊貓血”
2020年03月21日16:23

原標題:給紅細胞“披外套”,浙大團隊成功研製“通用熊貓血”

RhD陰性血素有“熊貓血”之稱,臨床上長期存在血源短缺、匹配不到血型的難題。浙江大學轉化醫學研究院王本副教授聯合化學系唐睿康教授研究團隊另闢蹊徑,通過修飾紅細胞表面,將供應充足的RhD陽性紅細胞批量轉換為RhD陰性紅細胞,無需RhD血型匹配即可進行應急輸血,不發生排異反應。這一方法有望高效地解決“熊貓血”血源短缺難題。

研究論文於北京時間3月21日發表在Science Advances雜誌。論文的第一作者是2015級化學專業博士生趙玥綺和2016級生物學專業博士生範明傑,通訊作者為化學系唐睿康教授和醫學院王本副教授。

“萬能血”在哪裡?

人類對血型的瞭解開始於20世紀初。1901年,奧地利維也納大學的卡爾·蘭德斯泰納教授首先發現了ABO血型。血型是根據紅細胞表面的抗原來分類的。比如:表面含有抗原A的血細胞被稱為A型血,含有抗原B的則被稱為B型血,O型血細胞既沒有抗原A也沒有抗原B。

隨著科學的進步,人類陸續發現還存在其他30多種血型系統,不同的血型系統採用不同的抗原劃分標準。這其中,Rh血型系統被認為是除ABO系統之外最重要的系統,根據紅細胞表面抗原D的有無,人類的血型統一劃分為RhD陽性和RhD陰性兩種。

大多數人的紅細胞上都存在抗原D,為RhD陽性血。在中國,新疆維吾爾族人RhD陰性的概率5%左右,蒙古族人接近1%;漢族人所占的比例極少,僅占0.3%,屬稀有血型,如果同時考慮ABO和Rh血型系統,那麼漢族人群AB型陰性同型人的機會不到0.03%,堪稱罕見。“熊貓血”因此得名。

看看製備好的紅細胞懸液標籤,你可以輕易發現兩種血型系統的標註:ABO血型和Rh血型。O型血一度被認為是“萬能血”,可以輸入給不同血型的病人。但自Rh血型系統被確認以來,人們意識到,對於RhD陰性的受血者來講,輸注常見的RhD陽性O型血也存在發生同種免疫的風險。“嚴格地講,RhD陰性的O型血才是真正的‘萬能血’”,王本說。

當前,儘管醫療機構開展了一系列“熊貓血”獻血員的登記與動員工作,但仍不能滿足臨床需要。在形勢危急的情況下,若一時供應不上陰性血液,有時也只能輸注陽性血搶救生命為先。

穿件“外套”,遮蔽抗原

“是否有可能修飾現有的紅細胞,讓其陽轉陰?”唐睿康教授說。

修飾血細胞最初的靈感來源於雞蛋殼——給細胞披上一件仿生“外套”,遮蔽不想暴露的部分,或是加載新功能,科學家稱之為“細胞表面修飾”。2014年6月,王本與他的導師唐睿康教授在英國Chemical Science雜誌提出了一項紅細胞改造策略:當紅細胞“穿”上一層聚多巴胺(多巴胺為一種小分子)的“外套”,其表面抗原就會被遮蔽起來,成為ABO血型系統的“萬能血”。

圍繞製造“萬能血”的目標,英國愛丁堡大學的科學家曾提出過幹細胞體外培養擴增的方法,理論上可行,但是成本相當昂貴。而“給細胞穿衣服”的思路則從化學生物學的角度另闢蹊徑,一經提出就顯示出一定的優越性。“概念非常靈巧。”美國卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)的生物材料專家Christopher Bettinger當時評價說。

Chemistry World雜誌隨即把它作為亮點工作進行了報導,在文章的最後一段,作者認為,將這一思路應用在於Rh血型系統,應對“熊貓血”的短缺難題,在臨床上將更有必要性、緊迫性。

“我們是在給一個活的細胞‘穿衣服’,穿上之後,除了遮蔽抗體,還不能影響它的細胞膜流動性與變形能力,細胞的生物功能也不能受到影響。”王本說。RhD是鑲嵌在紅細胞膜上的一個跨膜蛋白,研究團隊需要探索更精細和優化的操作。

時隔6年,研究團隊正式發佈了紅細胞的新款“外套”——他們找到了更好“布料”,試出了更優的“裁剪”,更重要的是,這一技術變得更為“萬能”:實現了將RhD陽性紅細胞轉變成RhD陰性紅細胞的目標,新型通用紅細胞可以無需RhD血型匹配即可進行應急輸血。

“穿衣”之後:變與不變

讓我們一起來看看化學和醫學聯合研究團隊設計的新版“外套”:

研究者讓一種類似於磷脂(細胞膜骨架分子)的分子在細胞膜上錨定組裝,然後催化水凝膠單體發生交聯,在RhD抗原的表面形成一層納米級的三維水凝膠支架。在這裏,科學家創造性的使用了一種空間控製聚合反應的新途徑。“這個支架大概就200納米厚,它鑲嵌在紅細胞膜上,遮蔽了目標抗體,同時不影響細胞的柔韌性。”王本說。“紅細胞只有在具有一定的柔韌性,即變形能力的前提下,才能在血管中自由穿梭。”

臨床上,RhD陰性受血者在第一次接受RhD陽性血時是安全的,但是第一次受血後在體內會隨之產生RhD抗體,在第二次接受RhD陽性血輸注的時候就會發生溶血反應,造成嚴重的輸血不良反應。為了驗證“外套”的安全性與有效性,研究團隊設計了進一步的動物實驗:

第一項實驗是小鼠的三次異體輸血實驗,實驗結果顯示:三次輸血,工程改造的紅細胞在小鼠體內的存留時間、半衰期和未做處理的小鼠紅細胞相當。“這一實驗說明,工程改造的紅細胞在體內的活力非常不錯。”第一作者,博士生趙玥綺說。

第二項實驗是檢驗RhD抗原遮蔽效果。研究人員分別用人RhD陽性紅細胞、改造過的人陽性紅細胞輸入新西蘭大白兔體內,發現前者會讓兔體內會產生針對RhD抗原的抗體,但是穿著“外套”的人RhD陽性紅細胞輸注不會讓兔體內產生RhD抗體。“我們在輸血後4周內沒有看到抗體產生,可以認為遮蔽效果還在。”趙玥綺說,隨後,紅細胞會在脾臟被代謝清除掉。

“和我們2014年的工作相比,這個方法對細胞的改造更好地保持了細胞膜的流動性和變形能力,在保證紅細胞膜結構的前提下最大限度保持紅細胞的生物功能。這也是這項研技術最大的挑戰所在。”唐睿康教授說。

三個應用場景

在臨床上,同型輸血這一策略誕生已經100多年,由於血型抗原的限製,它仍是首選甚至是唯一的選擇。能否開發出安全可靠的血型轉換方法,適用應急輸血以及緩解用血需求,是一項古老而艱巨的挑戰,全世界從事這方面研究的實驗室或許不到10家。

2019年,Nature Communications上曾有一項研究提出用RhD基因敲除手段構建RhD陰性人紅細胞,初步在細胞實驗上證實了將RhD陽性紅細胞轉變為陰性的可能性,不過未見到體內實驗的驗證。同年,Nature Microbiology雜誌發表了加拿大不列顛哥倫比亞大學的Stephen Withers的研究,他們用兩種腸道細菌產出的酶,通過酶切的方法將A型血轉變成O型血。王本說,這是在血型轉換方面做出的一個可喜的工作,但是,“酶切這一方法或許不適合RhD陽性到陰性的轉換,因為是RhD抗原鑲嵌在紅細胞膜內部,是一個跨膜蛋白,如果用酶切的方式切割的話,紅細胞膜也會跟著遭到破壞。”王本說。

浙大醫學院附屬第二醫院輸血科的醫師廖昭平,是這項研究的成員之一。他負責從臨床需求出發設計動物實驗。他對細胞修飾技術用於製造“萬能血”的應用前景抱有很大信心,他認為,這一技術至少存在三種應用前景:第一是緩解臨床“熊貓血”供需矛盾。隨著二胎政策的開放,越來越多的“熊貓血”媽媽有二胎需求,此項技術對於避免由於RhD陰性血液緊缺而導致產婦大出血後輸入RhD陽性血產生抗D抗體的產生;第二種情況是,臨床上進行異體同型輸血時,存在受血者和獻血員血液不匹配的情況,這一細胞修飾術有望在短時間內製造更為匹配的血液;第三種情況是,國家和地方血庫的庫存有時會出現某種血型特別短缺的情況,“這時也可考慮把富餘的血型轉換成短缺的血型,供應臨床。”

“目前臨床上有強勁的需求,有很好的轉化應用價值。”浙江大學醫學院附屬第一醫院血液科主鴻鵠教授在瞭解到這一技術後認為,儘管該項研究在臨床前基礎科研方面取得了可喜的重大進展,但到臨床還有很長一段路要走,需要進一步在靈長類動物中進行安全性和有效性研究,最後才能在人體進行臨床試驗,若獲得成功無疑將造福“熊貓血”病人,具有重大的臨床推廣應用價值。

這項研究受到了國家自然科學基金(81570168,21625105,31822019)和浙江省傑出青年基金(LR16H180001)資助。

(原標題 Sci. Adv. | 紅細胞“穿衣服”,批量製造“熊貓血”)

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