挽救生命的泉源–人工替代血液
92/11/10
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宋信文｜
清華大學化學工程學系
張文祥｜
清華大學化學工程系生醫工程實驗室
報載日本天皇明仁因需接受攝護腺癌手術，事前先做了三次的抽血，準備在必要的時候以自己的血輸給自己。臨床上也曾報導，某一宗教的信徒堅拒開刀時必要的輸血。前者或為皇族的純種血統不可接受一般平民的輸血，後者則為特殊的宗教信仰使然。但除了輸血之外，臨床上是否還有其他方法來挽回失血過多的病人生命呢？
臨床手術所需血液來源
一個病人在進行臨床手術時所需的血液來源有自己事前抽取備用的血液、血漿擴充劑、使用血庫中他人捐血與人工替代血液等。
對於一項非緊急的手術，在病人的體力可以負荷的情況下，醫生可以選擇先分批抽取病人的血液儲存在血庫裡，以補充開刀時所失去的血液。這種方法對於病人來說，由於沒有免疫排斥與肝炎、愛滋病等病毒傳染的顧慮，是最安全的做法。
血漿擴充劑則多半用在病人因車禍或外傷大量出血時，醫生先以點滴的方式將血漿擴充劑注入病人的靜脈裡，以提升病人因大量出血而急遽下降的血壓。血漿擴充劑的成分，基本上類似人體的血漿，可維持生理所需的電解質濃度及滲透壓平衡等。
人體骨髓是造血的器官。輸血，基本上只是彌補病人大量失血後的血壓下降，以及氧氣輸送的功能。輸血後48小時之內，病人的骨髓所新造出來的血液已足以負擔人體正常的生理功能。很早以前人類便嘗試輸血，十四世紀時的一位羅馬教皇Pope Innocent Ⅲ，因年老體衰，他的御醫給他輸入三個健康男孩的血液，結果教皇不幸駕崩，醫生連夜逃出國外。
文獻上最早記載輸血成功的實驗，是在一六六五年，一位叫理查羅爾（Richard Lower）的醫生利用一條中空的管子將一隻狗的動脈血液輸入另一隻狗的靜脈裡。值得一提的是，在那個年代，人稱化學之父的波以耳（Robert Boyle）也曾進行輸血的實驗。十九世紀時，醫學上也相當盛行給體弱或精神上有問題的病人做輸血的治療。
雖然有些病歷相當成功，但有些病人在輸血後卻有強烈的負面反應，並導致死亡。當時的醫學界並不清楚，同樣的輸血動作，為什麼會造成這麼大的差異。直到二十世紀初期發現了有A、B、AB、O等不同的血型後，輸血成功率才大為增加。一九四○年代二次世界大戰期間，則更進一步發現有恆河猴血型Rh+與Rh-的區別。
為何需要人工替代血液？
或許有人會問，既然外科手術血液的需求已可以用輸血的方式來解決，為何還需要研發人工替代血液呢？我們經常可以在大眾傳播媒體上，看到鬧血荒，緊急呼籲善心人士捐血的新聞，可見捐血的來源及意願畢竟不是那麼穩定。市面上雖然也有些賣血為生的「血牛」，但這些族群本身就可能帶有一些傳染性的疾病或酗酒、嗑藥等不良習性，血液的品質往往堪慮。此外在車禍或戰爭等意外的傷害時，恐怕也沒有足夠的時間，讓醫護人員仔細去做血型的配對。而且人為的血型配對，百密一疏的情形也無法完全避免。
前幾年，臺北某市立醫院就曾發生輸錯血，導致病人意外死亡的醫療糾紛。今年二月，美國一所相當有名氣的教學醫院，也因為血型配對的失誤，使一位小女孩的心肺器官移植手術慘遭失敗。有一位捐血中心的研究組組長，就曾經做過這麼的評論：「祇要研發出來的人工替代血液沒有污染或病毒傳染的問題，且價錢合理到健保制度願意給付，那麼它就有相當的潛力可以取代傳統的輸血方式。」
所謂的人工替代血液，嚴格來說祇能取代人體血液攜帶氧氣的功能，並無法取代白血球的免疫功能與血小板的凝血功能。所以有些科學家認為，目前的人工替代血液，充其量祇能稱為氧氣攜帶劑，而不該稱為人工血液或人工替代血液。目前人工替代血液的研究方向，依據其所使用的材料不同，可以分為碳氟化物與經化學修飾的血紅素兩大類。
碳氟化物
碳氟化物（Perfluorocarbon, PFCs）的化學結構類似鐵氟龍（聚四氟化乙烯），主要是由碳原子與氟原子所組成。在我們日常生活中，炒菜鍋的內面常鍍上一層鐵氟龍，主要是因為鐵氟龍化性相當穩定，且由於它的表面能很低，可以防止煎魚或煎蛋時易沾鍋的現象。碳氟化物不但化性穩定，在生物體內也相當安定，在做成人工替代血液的過程中以及高溫滅菌與後續的產品保存期間也都相當穩定。
對於氧氣來說，碳氟化物是一個相當好的溶劑，可以自肺裡攜帶氧氣至人體內的各部分組織與器官，讓細胞進行新陳代謝。在執行完它的救命功能之後，碳氟化物又可經由呼吸作用自肺排出，或經由排汗的過程由皮膚表面排出。
假如我們將一隻老鼠放在盛有碳氟化物溶液的燒杯裡，老鼠並不會如我們直覺的反應般「被淹死」，主要的原因是可以溶解大量的氧氣。由於碳氟化物不溶於水，所以通常是以乳化的方法將其製成大約200奈米大小的顆粒分散液，再以點滴的方式注入病人的靜脈裡。與人體紅血球的尺寸（1～8微米）相比，經乳化後的碳氟化物奈米顆粒相當小，其攜帶氧氣的面積可以大幅提高，且可以穿過紅血球無法通過的阻塞血管，達到即時救命的目的。目前碳氟化物仍在臨床試驗的階段。
經化學修飾的血紅素
血紅素的分子量約為64,500道爾頓（Dalton），主要存在於紅血球中，由四個胜月太鏈所組成，分別為二個α鏈與二個β鏈，每一個α鏈由141個胺基酸所組成，而β鏈則為146個胺基酸所組成。每條α鏈及β鏈上皆有一個原血紅素基與之相連，其中的亞鐵離子（Fe2+）可以利用配位鍵的方式與一個氧分子結合，能夠可逆地行使攜氧與釋氧的功能，因此每一個血紅素分子最多可以攜帶四個氧分子。
在人體內，當紅血球行經肺臟時，由於肺泡裡的氧分壓高達100毫米汞柱（mm Hg），使得紅血球裡的每一血紅素分子可以充分地攜帶氧氣。當攜氧的紅血球行經人體的各部分組織或器官時，由於氧分壓降至約40毫米汞柱，紅血球裡的血紅素分子便將其所攜帶的氧分子釋放出來，以參與附近細胞的新陳代謝作用。血紅素與氧分子的親和力，與紅血球內的一重要分子（2,3-DPG）有相當密切的關係。
經由純化過程所取得的血紅素溶液，由於紅血球被打破，造成2,3-DPG分子的流失，導致血紅素對氧的親和力過高，而降低了其在人體組織或器官中的釋氧功能。因此若以血紅素為基質來製備人工替代血液，必須對純化出來的血紅素溶液做適當的物理或化學修飾，以符合人體的生理要求。目前以血紅素為基材發展的人工替代血液，大致可分為包覆型人工替代血液、基因重組型人工替代血液與聚合型人工替代血液等。
包覆型人工替代血液是以磷脂質經由乳化技術將血紅素包覆起來，形成直徑約100～200奈米大小的顆粒，如此可以避免血紅素在體內被快速分解掉，增加其在人體血液循環中的半衰期，且在人體膠體滲透壓的限制下，可以有正常的血紅素濃度。在包覆過程中同時也把2,3-DPG分子包覆在磷脂質裡面，以調控血紅素分子對氧分子的親和力。
基因重組型人工替代血液主要是利用基因技術，將血紅素的α或β鏈的基因轉殖到大腸桿菌裡面，由大腸桿菌來表現，製造出血紅素分子。利用基因技術可以改變α或β鏈上某些特定的胺基酸，例如將β鏈上第108個胺基酸，由原來的天門冬胺酸改變成離胺酸，可以使得血紅素對氧的親和力降低。
聚合型人工替代血液又可分為分子內部交聯型血紅素、分子與分子間交聯型血紅素與共軛交聯型血紅素。
分子內部交聯型血紅素中血紅素分子內部的交聯可以用PLP（pyridoxyl 5'-phosphate）分子代替2,3-DPG分子，做為修飾血紅素對氧分子親和力的交聯劑。由於PLP和2,3-DPG對去氧狀態的血紅素分子結合的位置相同，因此可以穩定其去氧結構，使血紅素對氧的親和力降低。這樣的分子內部交聯也同時穩定了血紅素的四聚體結構，避免在人體血液循環過程中被快速分解掉，因此可以改善血紅素分子在人體內滯留的半衰期。
在分子與分子間交聯型血紅素方面，分子內部交聯後的血紅素分子，若進一步以另一交聯劑將血紅素分子與分子間交聯起來，則可以有效地增加其在人體血液循環中的半衰期達六至七倍。目前較常用的交聯劑為戊二醛。
聚合血紅素最重要的就是控制其分子量分布及適當的攜氧能力，較適當的分子量大小約在20萬～40萬道爾頓，以不超過50萬道爾頓為佳，也就是相當於二至八個血紅素分子聚合的大小。若聚合程度過高，則聚合後的血紅素溶液黏度會過大，導致血液流變性質的改變。若血紅素分子聚合程度過低，則無法得到適當的攜氧能力以及在人體內的適當半衰期。
然而戊二醛與血紅素分子進行的聚合反應很快，所製造出來的聚合血紅素分子量分布往往相當廣，容易造成許多過聚合的高分子聚合物。此外，戊二醛聚合血紅素無法在儲存及加熱過程中維持穩定結構，容易釋放出對人體有害的戊二醛分子，因此戊二醛並非製造聚合血紅素最佳的交聯劑。
共軛交聯型血紅素的組成，是利用交聯劑將血紅素分子以共價鍵結的方式鍵結在水溶性高分子鏈上，目的除了增加血紅素分子的體積以減緩血紅素分子由腎絲球體漏出外，亦可避免血液中其他蛋白質的吸附，以降低人體免疫系統的攻擊。
目前研發的碳氟化物或經化學修飾的血紅素人工替代血液，皆尚未經美國食品藥物管理局（Food and Drug Administration, FDA）核准許可用於臨床病人上。但已有某些相關的產品被核准用於急救因車禍或意外而大量失血的寵物身上，對一般人來說這或許已是相當新鮮的事了。至於可以用在人體的人工替代血液，以目前研究的進度來看，相信在不久的將來將可實現。
