我国利用干细胞研制“人工血液”,能解决“血荒”吗?

作者:周军年来源:科普中国微信公众号发布时间:2020-03-02

红细胞的血红蛋白含量、携氧能力和渗透脆性等各项指标基本一致,是干细胞来源、体外制备最接近临床应用的生物科技成果,扩增率可达10万倍以上,明显优于以往技术水平,为规模化生产奠定了重要基础,使我国干细胞制备“人工血液”的研发水平进入国际一流行列。 (图片来自网络) “人工血液”制备工艺是一种怎样的工艺?

(专家:周军年 全军干细胞与再生医学重点实验室、军事医学科学院野战输血研究所干细胞与再生医学研究室博士/副研究员,华南生物医药研究院华南干细胞与再生医学研究中心干细胞治疗研究室主任)

  军事医学科学院野战输血研究所、全军干细胞与再生医学重点实验室裴雪涛团队历经10年集智攻关,建立了“人工血液”制备工艺,并通过干细胞技术成功制备出“人工红细胞”。经军地卫生和药监权威机构检测,该“人工红细胞”与正常红细胞的血红蛋白含量、携氧能力和渗透脆性等各项指标基本一致,是干细胞来源、体外制备最接近临床应用的生物科技成果,扩增率可达10万倍以上,明显优于以往技术水平,为规模化生产奠定了重要基础,使我国干细胞制备“人工血液”的研发水平进入国际一流行列。

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  “人工血液”制备工艺是一种怎样的工艺?

  血液是生命之泉,是人体生理功能正常运转的基础和根本,具有保证体内物质正常运输、保持体内环境稳定以及防御和调节正常生理机能的重要作用。正常人的血液总量约占体重的8%左右,体重60公斤的人体其血液总量在4500到5000毫升,如果由于创伤、手术或者其他原因失血量超过血液总量的25-30%,则必须采取输血抢救措施。干细胞领域的快速发展以及突破性的研究进展使得体外获得和正常血细胞完全一样的血细胞替代产品成为可能,而也正是“人工血液”研发的出发点。

  基于干细胞技术的“人工血液”研发是指利用干细胞的高度增殖能力和多向分化潜能,通过细胞工程的技术,在体外模拟或部分模拟体内的造血过程(包括基质细胞的支持和造血生长因子的调控等),对干细胞进行体外扩增、定向诱导分化、功能激活与调控等,在短时间内大量获得早期造血干/祖细胞及各阶段的造血前体细胞,以及定向诱导扩增大量的红细胞以及巨核细胞/血小板、淋巴细胞等功能性血细胞和免疫活性细胞,并可对部分细胞的功能进行激活和调控,诱导分化的细胞将最终用于血细胞输注和造血细胞移植。这次成功制备出的“人工红细胞”就是“人工血液”研发的一部分。

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  贯穿“人工血液”制备工艺始末的就是一系列干细胞程序性高效扩增与血液定向诱导分化关键技术的集成创新,包括“干细胞、祖细胞、终末细胞”这3个关键环节,这三个环节正是“人工血液”制备工艺的限速步骤,正如一串项链上最耀眼的三颗珍珠,十余年来,我们一直专注于这三个关键点的研究,在关键点取得突破,然后“以点带线”,并在今后逐步“由线及面”,稳步提高干细胞定向诱导分化和扩增的效率,从而在在规模化制备红细胞环节取得新突破。

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  “人工红细胞”的扩增率为何能达10万倍以上?

  在红细胞的体外制备方面,从造血干细胞起始,步骤相对简单,程式也已基本固定,主要是利用骨髓和脐带血来源的造血干/祖细胞进行扩增和诱导。程序化的诱导方案大致可总结分解成三个阶段,首先是谱系分化的定向诱导,诱导干细胞向红系发育,第二阶段是对红系前体细胞的扩增,第三阶段则是红细胞的脱核与成熟。

  这个扩增率主要基于从CD34表面标志物阳性的造血干/祖细胞作为起始细胞进行计算,换句话说,目前我们的技术可以做到从1个造血干细胞,或者含有1个造血干细胞的细胞群体开始进行程序性诱导扩增,最后可得到约10万个“人工红细胞”,达到国际一流水平,目前国外取得的最好的扩增率也大致如此。为实现这样一个目标,研发团队开展了一系列技术体系的优化和完善,包括采用小分子添加剂提高细胞扩增效率、通过表面活性剂提高红系分化效率和细胞活性、采用无基质培养体系诱导红细胞脱核及三维培养培养体系进行扩增等等。

  这套技术另外一个特点在于更贴近应用,通过对生产工艺的优化,利用提高终末细胞产量、将整个生产过程流水线化等方式,有可能降低整体生产成本,在稀有血型的基础上制备“通用型”血细胞也将进一步降低血液筛查所需的成本,推动和加快“人工血液”应用的进程。

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  “人工血液”有望缓解“血荒”?

  临床输血治疗是目前使用最广泛、最成熟、最大量的细胞治疗手段,广泛应用于术后及外伤、慢性贫血、恶性血液病、肿瘤放化疗及其他多种疾病的治疗。近年来,随着医疗技术的迅猛发展和人民群众健康需求不断提升,医疗机构对血液的需求量呈现快速增长的趋势。然而血液供应仍然十分紧张,供需矛盾十分突出,解决血液供应不足问题迫在眉睫。同时,各种病原体的污染也使临床用血的安全性受到极大的挑战。临床实践已证实有多种病毒可经输血传播,如乙型肝炎病毒(HBV)、丙型肝炎病毒(HCV)和艾滋病病毒(HIV)等,后果严重。

  作为输血的替代治疗手段,通过体外诱导干细胞获得充足数量的红细胞、血小板等血细胞,能为通用型和稀有血型血液制备提供新的来源,并作为血液储备满足战时紧急及大量供血的需求,具有极为重大的社会、科学、经济价值。随着人工血液研发不断取得技术上的突破,一旦实现干细胞规模化制备人工血液,将颠覆传统的献血、供血模式,从目前的“筛、献、采、检、存、供”到未来的“产、检(少/ 快)、存、供(特供)”模式,实现“人工血液”供应的新模式,并将对输血发展产生革命性影响。到那时, 输血就可能不再需要人们捐献,也不会有血液传染性疾病的传播,更不会发生血荒或者找不到稀有血型的事了。

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