血液冷凍干燥機(jī)像牛奶變奶粉一樣保存血液
2017-08-04 13:30:51
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常規(guī)的血液采集和保存手段一般最多只能保存5周。而血液冷凍干燥機(jī)的出現(xiàn)，新技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)血液長期保存，像牛奶變奶粉一樣保存血液。
這聽起來像天方夜譚。但是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研人員和合肥市紅十字會的工作人員，正努力把這一夢想變成現(xiàn)實(shí)。
2001年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)與能源工程系博士何立群的團(tuán)隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、合肥市紅十字會血站合作，在國家自然科學(xué)基金項目和安徽省自然科學(xué)基金項目的支持下，依據(jù)低溫生物學(xué)原理，系統(tǒng)研究了紅細(xì)胞冷凍干燥保存過程中的若干個關(guān)鍵機(jī)理問題。
7年之后的2008年，當(dāng)他們的研究成果公之于世、進(jìn)行鑒定的時候，立即引起了不小的轟動。在場的國內(nèi)專家認(rèn)為，此研究所取得的突破性進(jìn)展將有望實(shí)現(xiàn)血液的長期保存。
血存告急與預(yù)約獻(xiàn)血
汶川地震發(fā)生后，“捐款、獻(xiàn)血、祈福”開始成為大多數(shù)人參與抗震救災(zāi)的行動方式。于是，捐款的數(shù)額開始激增、獻(xiàn)血點(diǎn)排起了長龍、祝福在人群中蔓延。在隨后的幾天里，血庫里的血液存儲量激增，陸續(xù)前來獻(xiàn)血的人們被告知：因為血液的保存期有限，為了避免血液庫存過剩而造成不必要的浪費(fèi)，要獻(xiàn)血只能先登記預(yù)約，以后再采集。
血液的有效保存期是指血液輸入人體24個小時后，紅細(xì)胞存活率超過70%的保存天數(shù)?！澳壳俺Ｒ?guī)的血液保存技術(shù)是4℃保存，一般最多只能保存5周，過期的血液通常都采用焚燒或深埋的方式處理掉，為了不造成浪費(fèi)，血站的庫存量一般都不大?！焙戏适屑t十字會血站副站長劉忠介紹說。
血液短暫的保存期限，使得血庫的庫存量與用血量之間一直存在著矛盾。汶川地震后，這一矛盾實(shí)實(shí)在在地凸顯出來。
紅細(xì)胞的存活率是血液保存期的衡量指標(biāo)。因此，紅細(xì)胞的保存技術(shù)是血液能否實(shí)現(xiàn)長期保存的關(guān)鍵?！澳壳?，紅細(xì)胞的保存方法研究有兩種：一種是深低溫保存法；一種是冷凍干燥法?！焙瘟⑷赫f。
深低溫保存即將細(xì)胞懸浮液在-80℃或液氨環(huán)境中保存。此種方法能將細(xì)胞保存數(shù)十年，但是設(shè)備復(fù)雜且費(fèi)用昂貴，主要用來保存臍帶血。
血液冷凍干燥機(jī)即在低溫真空環(huán)境下升華干燥，將細(xì)胞內(nèi)外水分抽走。干燥的樣品可在4℃或室溫下長期保存?！按朔N方法不需要大型設(shè)備，貯存方便、成本低、易運(yùn)輸、復(fù)水迅速，成為深低溫保存之后的一個新的研究熱點(diǎn)?！?/div>
血液的長期保存一直是醫(yī)學(xué)界的難題，但是它能夠給人類帶來的價值使得眾多的科研人員孜孜不倦地尋求破解之道。
關(guān)鍵技術(shù)的突破
“就相當(dāng)于把牛奶變成奶粉來保存。”劉忠這樣形容血液保存的冷凍干燥法。紅細(xì)胞的生命代謝主要由水來參與完成，血液的低溫保存實(shí)際上是通過降低溫度延緩紅細(xì)胞的代謝來實(shí)現(xiàn)的。而冷凍干燥的原理則是將紅細(xì)胞中的絕大部分水分抽出，從而完全阻止其代謝來實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞的長期保存。
經(jīng)過冷凍干燥的血液由液態(tài)變?yōu)榉勰?，并且體積大大縮小，5毫升的血液經(jīng)冷凍干燥后體積縮小為0.5毫升。變?yōu)榉勰畹难簩Ρ４鏃l件要求極低，放在密封的瓶子內(nèi)，4℃或常溫保存均可。需要使用血液的時候，通過復(fù)水將紅細(xì)胞還原。
這是一項美妙的實(shí)驗，但是真正實(shí)現(xiàn)起來并不簡單。長久以來，從事冷凍干燥研究的科研人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過冷凍干燥復(fù)水之后，紅細(xì)胞的回收率太低。也就是說，在經(jīng)過整個實(shí)驗過程后，大部分的紅細(xì)胞已經(jīng)死亡，這成為冷凍干燥技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。
而何立群和劉忠的科研合作團(tuán)隊的突破之處也正在于此。他們系統(tǒng)地研究了紅細(xì)胞在保護(hù)劑添加、降溫、凍干、復(fù)水、洗脫過程中的損傷機(jī)理，優(yōu)化了紅細(xì)胞凍干的保護(hù)劑配方和降溫、凍干、復(fù)水及保護(hù)劑洗脫程序，形成了一套紅細(xì)胞凍干保存方法。
凍干紅細(xì)胞的復(fù)水損傷是目前凍干紅細(xì)胞復(fù)水后回收率低的一個重要原因，“主要表現(xiàn)為在復(fù)水時樣品吸水后細(xì)胞立即破碎”。何立群說：“細(xì)胞在復(fù)水時的損傷與前面的過程有關(guān)，因此復(fù)水損傷機(jī)理很復(fù)雜，了解它也就變得異常重要。我們在實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)了其中的一個原因，即紅細(xì)胞膜在復(fù)水階段存在兩個結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的溫度點(diǎn)，復(fù)水時細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)非常容易流出來。實(shí)驗表明，樣品復(fù)水溫度不能低于35℃?！?/div>
解決溶液損傷問題
令何立群頗為滿意的另外一個工作，就是發(fā)現(xiàn)了凍干保護(hù)劑的“破壞”效應(yīng)。無論是深低溫保存法還是冷凍干燥保存法，添加保護(hù)劑都是必須的。其目的是為了降低細(xì)胞在低溫環(huán)境中細(xì)胞內(nèi)外冰晶造成冰晶損傷的可能性，但是保護(hù)劑同時也會帶來溶液損傷，尤其是保護(hù)劑濃度很高的時候。溶液損傷包括保護(hù)劑對細(xì)胞產(chǎn)生的毒性以及細(xì)胞在體積膨脹或收縮到一定程度時所受到的滲透性損傷。
相比于細(xì)胞低溫保存，凍干保存所需要的保護(hù)劑種類很多，故研究人員往往會把注意力集中在如何選擇更好的保護(hù)劑，尚無暇顧及保護(hù)劑總量是否已經(jīng)超標(biāo)。他的課題組在確定紅細(xì)胞承受的滲透壓極限后發(fā)現(xiàn)，一些凍干保存方法中細(xì)胞損傷實(shí)際上發(fā)生在添加保護(hù)劑過程中，即滲透性損傷。
為了減少滲透性損傷，他們發(fā)現(xiàn)，保護(hù)劑的添加和取出過程分四步完成效果好一些。添加時，四步等體積法對紅細(xì)胞損傷最小。四步等體積法即，將保護(hù)溶液分4次逐步加入，每次加入的體積相等，每次加入后都輕輕搖勻，使得紅細(xì)胞和保護(hù)劑混合；而取出時，每一步滲透壓減少幅度相等效果最好。
另外，他們還通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，在不同降溫速率下，紅細(xì)胞凍干復(fù)水后的回收率會有所變化。
鑒定專家認(rèn)為，該項目建立并優(yōu)化了紅細(xì)胞凍干復(fù)水的技術(shù)參數(shù)；在滲透性損傷的研究、保護(hù)劑的優(yōu)化、降溫速率等因素對紅細(xì)胞凍干的影響和程序選擇方面，具有明顯的創(chuàng)新性和先進(jìn)性，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
目前，他們的凍干紅細(xì)胞復(fù)水回收率已經(jīng)達(dá)到了50%左右，但是距紅細(xì)胞存活率70%的目標(biāo)還有一段距離。劉忠說：“這個項目目前還處于實(shí)驗室階段，接下來要進(jìn)行動物試驗，但是要實(shí)現(xiàn)臨床試驗，還有很多工作要做?！?/div>
從紅細(xì)胞冷凍干燥到復(fù)水還原，整個過程大概需要一整天的時間，“尤其是復(fù)水的過程，設(shè)備比較復(fù)雜，大概需要10個小時才能完成”。劉忠希望在今后的實(shí)驗中能夠?qū)⑦@個時間再縮短些。（來源：科學(xué)時報）
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