A型血秒变O型血!肠道细菌酶有望解决输血难题

来源:新浪科技发布时间:2019-06-14

两种肠道细菌产出的酶,可以将A型血转变成O型血!

在美国,平均每天要消耗大约16500升储血量。由于血型抗原的限制,供血者和用血者必须保证血型匹配才能不发生免疫排斥反应。一度被奉为“万能血”的O型血,被认为可以用于大部分血型的患者,因此处于供不应求的状态。在一项发表在《自然·微生物学》的最新研究中,科学家发现:两种肠道细菌产出的酶,可以将A型血转变成O型血!这有望解决血液供给的燃眉之急。

“万能”的O型血

人体血液中的红细胞表面存在可以被识别的抗原分子,这也是血液被分为不同类型的原因。血型抗原主要包括一些糖蛋白分子结构,最关键的就是A型抗原(GalNAc)和B型抗原(Gal)。这些糖蛋白在日常生活中与红细胞的功能相关,决定着一些物质在细胞中的输入和输出,维持着细胞的结构,并影响细胞和其他组织结构的化学信号交流。

这些抗原,对不同血型的个体来说是具有特异性的,同时也是免疫系统识别外来红细胞的重要组成部分。当拥有A型血液的人体中出现B型血液时,会激活免疫系统产生大量针对B型血细胞的抗体,来消灭入侵的B型红细胞。这种反应迅速的天然免疫机制对人体来说非常关键,它能保护人体免受外来病原体和异物的侵袭。只不过,一旦该反应出现在输血过程中,则可能引发强烈的免疫排斥反应,甚至造成患者死亡。

由于O型血缺乏A和B抗原,因此曾被认为可以输送到任何其他几种血型的人体内。不过随着近些年医学的发展,医生意识到这种“万能性”也是存在局限的,不仅需要排除掉O型血中含有的A型和B型抗体,另外稀有血型也会影响O型血的直接使用。稀有血型人群带有特殊的抗原,因为人群占比小,也被称为“熊猫血”,如Rh阴性。在中国大约有1%的人群是Rh阴性血型,这些人群在输血时必须在ABO系统基础上额外进行Rh抗原考虑。

型血秒变O型血!肠道细菌酶有望解决输血难题

尽管存在这些因素,O型血仍是在其他血型的血液供给不足时最好的选择,这也间接地造成了O型血供血不足。为了解决O型血短缺的情况,一个思路就是将其他的血型转变成O型血。早在上世纪80年代,生物学家Goldstein就提出将A型或B型血细胞表面的GalNAc或者Gal去除,从而源源不断地获得O型血。

制造O型血

在过去10年中,科学家都在研究怎样去除A型血中的红细胞的抗原,来自丹麦哥本哈根大学的生物学家Henrik Clausen进行了最早的探索。他当时主要试图搜寻一些酶,希望在不破坏红细胞的情况下分解A和B抗原上的多糖链,这样进行输血时也就不会引起个体的免疫排斥反应。

研究团队最先尝试过一种从咖啡豆中提取的酶,其能够移除掉红细胞上的B型抗原,尽管其效率非常低,但这让科学家看到了该方法奏效的希望。为此,他们分析了从细菌和真菌中超过2500种的酶,但他们只在一种会引起婴儿脑炎感染的细菌中,发现了可以将A型血转变成O型血的酶。

不过,这些酶的效率仍然很低,需要加入大量的酶才能获得少量的O型血(大约每60 mg的酶才能获得200 ml的O型血),商用价值很低。并且因为是致病菌中提取出来的,不排除有医疗安全风险。还有一些科学家试图用一种酶就将A和B型抗原直接去除,或者利用人工合成的方法自己创造一种分解这些抗原的糖苷酶,但这些方法都收效甚微。

A到O型血的高效转换

随着近些年酶组学的发展,已经有许多效率更高的手段来寻找合适的酶,尤其是基因文库筛选的出现,让加拿大不列颠哥伦比亚大学的Stephen Withers找到了获得血型转换工具的方式。Withers没有漫无目的地进行广泛筛选,而是将目光放在了我们的肠道细菌中,他认为这些与我们共享同一片微环境的生物,很有可能会提供分解血型抗原的酶。

最关键的原因是,在我们肠道壁的粘蛋白中会同时含有许多A和B抗原分子。这些粘蛋白主要负责阻挡肠道细菌进入人体的其他部位,但同时这些肠道微生物就反过来以这些粘蛋白为食,因此某些细菌含有分解A和B抗原的糖苷酶应该是顺理成章的事情。

Withers收集了AB血型男性志愿者的粪便,并从中提取了大量DNA片段,构建成了一个肠道菌群的基因文库。他们将这些基因进行初步筛选后,挑选出了一些表达类似A型抗原底物的基因,并将这些DNA转移到了大肠杆菌中进行表达。

随后他们从大肠杆菌中提取分泌的蛋白,并分析是否有一些蛋白酶具有去除A抗原的能力。最终,研究人员真的发现了两种能够完成该功能的酶,并且通过微生物数据库还原,追踪到这些酶是来自一种名叫 Flavonifractor plautii 的菌种。从Withers的实验结果来看,这两种酶必须合作,才能将A型抗原去除。

型血秒变O型血!肠道细菌酶有望解决输血难题

两种酶分两步移除A型抗原两种酶分两步移除A型抗原

在Withers的实验中,两种酶的组合浓度只需要5 μg/ml就能将A抗原完全清除。而在几年前Clausen的研究中是300 μg/ml。为了验证这种组核酶的实用性,Withers将两种酶同时加入到A型血液中时,血液成功地转变成了O型血。

但Withers的团队表示他们还需要进一步确认加入酶处理后,这些O型血液不会再通过别的方式表达A型抗原。这种酶是否会改变血细胞的正常功能,也是他下一步准备进行测试的。“我们现在主要的研究对象是A型血,因为A型血人群比B型血更广,”Wither表示,“一旦测试没有问题,将解决我们面临的用血困难窘境。”

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