血液冷冻干燥机像牛奶变奶粉一样保存血液

2017-08-04 13:30:51 血液冷冻干燥机www.tuffun.cn 72

    常规的血液采集和保存手段一般最多只能保存5周。而血液冷冻干燥机的出现,新技术有望实现血液长期保存,像牛奶变奶粉一样保存血液。

    一个受了伤的士兵从战场上被抬回战地医院,他需要输血。医生从士兵的口袋里掏出一个装着红色粉末的玻璃瓶,把这些粉末经过复水还原为血液,缓缓输入士兵的体内。红色粉末是经过冷冻干燥的红细胞,它来自士兵本身。每个上战场的士兵都有一个这样的玻璃瓶,以备输血之用。
    这听起来像天方夜谭。但是中国科学技术大学的科研人员和合肥市红十字会的工作人员,正努力把这一梦想变成现实。
    2001年,中国科学技术大学热科学与能源工程系博士何立群的团队与中国科学技术大学生命科学学院、合肥市红十字会血站合作,在国家自然科学基金项目和安徽省自然科学基金项目的支持下,依据低温生物学原理,系统研究了红细胞冷冻干燥保存过程中的若干个关键机理问题。
    7年之后的2008年,当他们的研究成果公之于世、进行鉴定的时候,立即引起了不小的轰动。在场的国内专家认为,此研究所取得的突破性进展将有望实现血液的长期保存。

血存告急与预约献血

    汶川地震发生后,“捐款、献血、祈福”开始成为大多数人参与抗震救灾的行动方式。于是,捐款的数额开始激增、献血点排起了长龙、祝福在人群中蔓延。在随后的几天里,血库里的血液存储量激增,陆续前来献血的人们被告知:因为血液的保存期有限,为了避免血液库存过剩而造成不必要的浪费,要献血只能先登记预约,以后再采集。

    血液的有效保存期是指血液输入人体24个小时后,红细胞存活率超过70%的保存天数。“目前常规的血液保存技术是4℃保存,一般最多只能保存5周,过期的血液通常都采用焚烧或深埋的方式处理掉,为了不造成浪费,血站的库存量一般都不大。”合肥市红十字会血站副站长刘忠介绍说。
   血液短暂的保存期限,使得血库的库存量与用血量之间一直存在着矛盾。汶川地震后,这一矛盾实实在在地凸显出来。
   红细胞的存活率是血液保存期的衡量指标。因此,红细胞的保存技术是血液能否实现长期保存的关键。“目前,红细胞的保存方法研究有两种:一种是深低温保存法;一种是冷冻干燥法。”何立群说。
   深低温保存即将细胞悬浮液在-80℃或液氨环境中保存。此种方法能将细胞保存数十年,但是设备复杂且费用昂贵,主要用来保存脐带血。
   血液冷冻干燥机即在低温真空环境下升华干燥,将细胞内外水分抽走。干燥的样品可在4℃或室温下长期保存。“此种方法不需要大型设备,贮存方便、成本低、易运输、复水迅速,成为深低温保存之后的一个新的研究热点。”
    血液的长期保存一直是医学界的难题,但是它能够给人类带来的价值使得众多的科研人员孜孜不倦地寻求破解之道。
关键技术的突破
    “就相当于把牛奶变成奶粉来保存。”刘忠这样形容血液保存的冷冻干燥法。红细胞的生命代谢主要由水来参与完成,血液的低温保存实际上是通过降低温度延缓红细胞的代谢来实现的。而冷冻干燥的原理则是将红细胞中的绝大部分水分抽出,从而完全阻止其代谢来实现红细胞的长期保存。
    经过冷冻干燥的血液由液态变为粉末状,并且体积大大缩小,5毫升的血液经冷冻干燥后体积缩小为0.5毫升。变为粉末状的血液对保存条件要求极低,放在密封的瓶子内,4℃或常温保存均可。需要使用血液的时候,通过复水将红细胞还原。
    这是一项美妙的实验,但是真正实现起来并不简单。长久以来,从事冷冻干燥研究的科研人员发现,经过冷冻干燥复水之后,红细胞的回收率太低。也就是说,在经过整个实验过程后,大部分的红细胞已经死亡,这成为冷冻干燥技术进一步发展的瓶颈。
    而何立群和刘忠的科研合作团队的突破之处也正在于此。他们系统地研究了红细胞在保护剂添加、降温、冻干、复水、洗脱过程中的损伤机理,优化了红细胞冻干的保护剂配方和降温、冻干、复水及保护剂洗脱程序,形成了一套红细胞冻干保存方法。
     冻干红细胞的复水损伤是目前冻干红细胞复水后回收率低的一个重要原因,“主要表现为在复水时样品吸水后细胞立即破碎”。何立群说:“细胞在复水时的损伤与前面的过程有关,因此复水损伤机理很复杂,了解它也就变得异常重要。我们在实验中发现了其中的一个原因,即红细胞膜在复水阶段存在两个结构转变的温度点,复水时细胞内物质非常容易流出来。实验表明,样品复水温度不能低于35℃。”
解决溶液损伤问题
     令何立群颇为满意的另外一个工作,就是发现了冻干保护剂的“破坏”效应。无论是深低温保存法还是冷冻干燥保存法,添加保护剂都是必须的。其目的是为了降低细胞在低温环境中细胞内外冰晶造成冰晶损伤的可能性,但是保护剂同时也会带来溶液损伤,尤其是保护剂浓度很高的时候。溶液损伤包括保护剂对细胞产生的毒性以及细胞在体积膨胀或收缩到一定程度时所受到的渗透性损伤。
    相比于细胞低温保存,冻干保存所需要的保护剂种类很多,故研究人员往往会把注意力集中在如何选择更好的保护剂,尚无暇顾及保护剂总量是否已经超标。他的课题组在确定红细胞承受的渗透压极限后发现,一些冻干保存方法中细胞损伤实际上发生在添加保护剂过程中,即渗透性损伤。
     为了减少渗透性损伤,他们发现,保护剂的添加和取出过程分四步完成效果好一些。添加时,四步等体积法对红细胞损伤最小。四步等体积法即,将保护溶液分4次逐步加入,每次加入的体积相等,每次加入后都轻轻摇匀,使得红细胞和保护剂混合;而取出时,每一步渗透压减少幅度相等效果最好。
     另外,他们还通过实验发现,在不同降温速率下,红细胞冻干复水后的回收率会有所变化。
    鉴定专家认为,该项目建立并优化了红细胞冻干复水的技术参数;在渗透性损伤的研究、保护剂的优化、降温速率等因素对红细胞冻干的影响和程序选择方面,具有明显的创新性和先进性,达到国内领先水平。
     目前,他们的冻干红细胞复水回收率已经达到了50%左右,但是距红细胞存活率70%的目标还有一段距离。刘忠说:“这个项目目前还处于实验室阶段,接下来要进行动物试验,但是要实现临床试验,还有很多工作要做。”

    从红细胞冷冻干燥到复水还原,整个过程大概需要一整天的时间,“尤其是复水的过程,设备比较复杂,大概需要10个小时才能完成”。刘忠希望在今后的实验中能够将这个时间再缩短些。(来源:科学时报)




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