2.1  生物携氧治疗剂的研究现状  随着输血相关技术的进展突飞猛进，输血医学已经成为医学中不可缺少的组成部分，在现代医学中的地位和作用也备受关注并得到重新认识，输血的主要目的是纠正或避免红细胞质量不足引起的近期供氧不足^[6]。然而输血医学研究长期以来未能突破的一个点，那就是寻找一个高效又安全的血液代用品，来解决血源短缺、输血安全性的问题。因此人们一直着眼于研究人工血液代用品以更好地应对临床上对输血的需求。

人工血液代用品的研发经历了从早期的简单扩容剂到现在携氧剂的几个发展阶段。20世纪60年代之前，人们研究较多的是明胶、葡聚糖、羟乙基淀粉等血量扩充剂，主要以维持血液渗透压、酸碱平衡及血容量为目标，这些制剂不具有携氧功能^[7-8]。到了20世纪60年代，人们开始试图从高分子化合物和血红蛋白两方面研究具有携氧能力的人工血液代用品。近年来，研究人员又着眼于以血红蛋白作为基质的血液代用品^[9]。

人工血液代用品除了补充血容量、防治休克和缺氧外，还可纠正各种原因导致的出、凝血障碍等，是临床上重要的抢救和治疗用品。世界卫生组织(WHO)推荐的每年献血率的标准是1%，因此发展中国家每年至少需要3亿人次献血，而全球每年献血量约为1.07×10⁸ U，目前全球献血率低，血液资源短缺口。随着全球范围内的人口增加和经济发展，以及人口老龄化问题日趋严重，导致全球对血液的需求量将进一步增高，同时伴随着供血人群的减少^[10]，对生物携氧治疗的研究愈发迫切。目前全球集中于对血红蛋白的研究，通过采用聚合、交联、偶联等方式对分离纯化的血红蛋白进行化学修饰，获得化学修饰类生物携氧载体；蚯蚓血红蛋白是一种大分子细胞外呼吸蛋白，其理化性质更加稳定且不易引起免疫反应，这也成为携氧治疗剂研究的另一个重要方向^[11]。ZHANG等^[12]选择多壁碳纳米管(MWCNT)，即通过血红蛋白与功能化的多壁碳纳米管(MWCNT-Hep)偶联以制备稳定有效的人工氧载体。在研究中评估了MWCNT-Hep-Hb对人脐静脉内皮细胞和人红细胞的不利影响。结果显示MWCNT-Hep具有最佳的血红蛋白负载能力，并且具有良好的血液生物相容性。因此，MWCNT-Hep-Hb也可能是令人满意的血液替代品。近期研究还发现一种新型的碳氧血红蛋白氧载体(peg-cohb；pp-007)^[13]，它可通过缓解缺氧状态来改善廉状细胞贫血。这一系列研究都有助于探索生物携氧治疗剂的开发，并尽快寻找出更有效安全的血液替代品^[14]。

2.2  生物携氧治疗剂的种类  目前，研究的生物携氧治疗剂主要有两大类：氟碳类化合物和血红蛋白类制剂(hemoglobin，Hb)。氟碳化合物密度高、分子间作用力弱、表现出低表面张力、低黏度和高流动性；并且热稳定性好、生物相容性良好。这一系列独有的优势使氟碳化合物拥有广阔的临床应用前景，但由于人们对氟碳化合物血液代用品安全性的担忧，导致近年来多项临床研究被终止。血红蛋白类制剂是通过对血红蛋白进行修饰加工而获得，也是目前输血领域研究最为广泛的一类制剂，研究者们陆续发现血红蛋白除具有携氧能力外，还有着众多可被利用的价值。

2.2.1  氟化碳乳剂  氟化碳乳剂是有携氧能力的胶体混悬液，其携氧能力与氧分压成线性关系。氟化碳乳剂是无生物活性、无毒性的乳白色液体，可快速与氧及二氧化碳结合及释放。可作为扩容溶液，因具有携氧能力而代替人体血细胞部分功能，而且无血型，无需交叉配血^[15-16]。

  氟碳化合物种类很多，以全氟三丁胺及全氟丁基四氢呋喃性能稳定，颗粒在0.1 ti为常用。因氧和二氧化碳与氟碳化合物结合属单纯溶解，所以它与氧及二氧化碳结合比血红蛋白快，氧含量与氧分压间为直线关系，并且不受温度及其他一些因素的影响^[17]。氟碳在血管内中半衰期为30-60 h，在体内被网织内皮细胞捕获存在肝、脾中再逐渐排泄^[18]。还有一类基于白蛋白的全氟碳胶囊也有望成为具有高溶解性的人工氧载体，然而这些胶囊都需要进一步的研究^[19]。

临床曾应用的为Fluosol-DA20%，在大出血、脑缺氧、一氧化碳中毒等情况下运用均收到较好效果。应用35%的该液在氧浓度为60%时，可稀释体内血细胞比容低于2%而不影响体内氧分压和血流动力学；近期的动物实验结果表明，输注该液体的大鼠，对血液稀释和机体氧运输能力(以DO2做观测指标)的影响与输血组无明显差异；并且也没有观察到动物血管收缩和微循环功能损伤。但因氟碳液价格昂贵，目前还不能普遍应用，对网织内皮系统功能影响也是其应用的不利因素之一；并且输入氟碳乳剂产品会引起短暂的流感样症状，这类不良反应被认为与氟碳乳剂的微粒大小密切相关。

2.2.2  血红蛋白载氧溶液  血红蛋白的载氧溶液由人体或动物红细胞为原料，经重组DNA人工合成。它有类似于红细胞的携氧功能，在改善缺氧组织的氧供，减轻缺血缺氧导致的组织细胞损伤方面起到重要作用^[20]。早期的血红蛋白氧载体研究主要是对血红蛋白进行化学修饰和改造，以加固链间连接或通过聚合的方式增大血红蛋白体积，这样可以减少血红蛋白从肾脏的滤过，延长它们在血管内的存留时间。这类血红蛋白氧载体有聚合血红蛋白、分子内交联血红蛋白、耦合的血红蛋白^[21]。

血红蛋白氧载体虽具类似自然红细胞的载氧能力，但输入人体后，仍可以引起循环功能障碍，从而减弱或抵消了用血红蛋白氧载体增加组织氧供的作用。目前制备血红蛋白氧载体的血红蛋白来自过期的库存人血或动物血。过期的库存人血来源有限，且人血红蛋白从红细胞释放出来，它们和氧的解离就不再受2.3-甘油酸的调节，其氧解离曲线显著向左侧偏移，引起P50降低至12-16 mm Hg，而组织氧分压一般不低于20 mm Hg^[22]，这就意味人游离血红蛋白结合的氧在组织中不易释放出来供组织利用。牛血的载氧特性和人血类似，但氧解离曲线正常情况下受氯离子浓度的调节^[23]。朱娱等^[24]研究表明，血清或溶液中有丰富的氯离子，因而牛血红蛋白从红细胞中释放后其氧解离曲线偏移不明显。并且牛血红蛋白比人血红蛋白有更明显的波尔效应，即当体内CO₂浓度增加，细胞内pH值降低后，牛血红蛋白比人血红蛋白更易引起红细胞内的血红蛋白氧亲和力下降，提示牛血红蛋白更易释放氧供组织利用。再加上牛血来源巨大这一优势，牛血成为了制备血红蛋白氧载体的主要血红蛋白来源。血红蛋白氧载体与异体红细胞输血在非心脏手术患者中发现多达7 U的血红蛋白氧载体输注超过6 d，可使43%的患者避免红细胞输血。血红蛋白氧载体-201可以在室温下储存，与天然血红蛋白相比，半衰期延长且表现出高氧输送能力。HOOPS等^[25]比较HBOC-201与新鲜全血对出血诱导的创伤性心脏骤停(HiTCA)的缓解效果，实验将26只猪随机分配到使用SAAP和新鲜全血(n=12)或HBOC-201(n=14)进行复苏，结果显示HBOC-201组得到显著的改善，并且HBOC-201可以减轻在院前环境中使用新鲜全血的后勤限制。

近期研究还发现一种新型的交联血红蛋白氧载体(新型牛源、非聚合、无细胞血红蛋白氧载体溶液YQ23)对大鼠脓毒症也有较好的治疗作用^[26]。由于严重脓毒症后微循环功能障碍，红细胞很难将氧气输送到缺氧组织。YQ23对大鼠败血症具有潜在益处，此研究采用盲肠结扎穿刺法诱导大鼠败血症，结果显示低剂量YQ23和全血可显著增加组织供氧量和消耗量，改善心、肝、肾、肠线粒体功能，预防重要器官损伤。提高了动物的生存率。此外，YQ23没有引起肾毒性、严重氧化作用和急性血管收缩。因此，YQ23被认为是一种安全有效的脓毒症复苏液。

为了避免裸露的血红蛋白引起的不良反应，人们还用脂质体包裹血红蛋白制备类似自然红细胞的FIBOC^[27]。但是大量脂质体包囊进入机体能迅速被网状内皮系统摄取，降低机体的抗感染能力^[28]。为减少脂质体包囊对机体的影响，有人试用可生物降解的聚乳酸作膜材包裹血红蛋白来制备血红蛋白微囊^[29]。聚乳酸是一种生物降解材料，其降解后可生成二氧化碳和水，安全性能较高，因而作为第一批能包裹药物的可生物降解材料被美国FDA批准用于临床。由此可见，任何一种人工氧载体都存在一定的优缺点，以下将对几类基于血红蛋白的人工氧载体进行比较(见表1)。

2.3  生物携氧治疗剂的临床应用  理论上，静脉输液是一种“非生理”途径的治疗手段，液体并未经过胃肠道的吸收、门静脉转运以及肝脏的代谢过程，而是直接进入体循环并随着血液分布于各个器官组织。因此如何实施液体治疗时最大限度的发挥正性治疗作用在危重患者尤其外科危重患者的治疗具重要意义。经过生物技术途径，生物携氧治疗剂有望在临床方面取得突破性的进展，并发挥其实用性价值(见图2)，由此可见，生物携氧治疗剂有着广阔的应用前景。

2.3.1  生物携氧治疗剂对失血性休克的应用  失血性休克是机体由于外伤、妇产科疾病等原因出血后，导致血容量不足超越代偿功能时呈现的一种休克综合病征^[30]：机体因血液的大量丢失导致循环血量骤减、组织灌注下降，造成微循环障碍、无氧代谢增加、组织酸中毒甚至发展为多脏器功能不全综合征而导致死亡^[31]。对于失血性休克的患者，尽早恢复休克患者血液循环容量及稳定血流动力学是目前救治失血性休克的最常用手段^[32]。促红细胞生成素表达水平可间接反映机体氧供平衡恢复情况，失血性休克后机体因缺血缺氧导致促红细胞生成素表达上调。液体复苏是治疗失血性休克的最佳措施之一。刘嘉馨等^[33]采用大鼠重度失血性休克-复苏模型，将聚合人脐带血红蛋白类氧载体作为新型携氧复苏液用于治疗失血性休克，结果显示采用聚合人脐带血红蛋白后显著降低了血浆促红细胞生成素蛋白水平以及肾促红细胞生成素mRNA表达，为缺氧的组织供氧并纠正组织缺氧情况，减轻缺氧对肾组织的刺激，最终使机体氧供失衡得到了纠正。刘嘉馨等^[34]通过建立Wistar大鼠失血性休克控压模型，将大鼠分为对照组、假手术组及聚合人脐带血红蛋白组，实验数据显示，复苏后6 h，2%聚合人脐带血红蛋白组大鼠的PaCO₂和PaO₂/FiO₂值较对照组降低较少(P > 0. 05)，说明其肺通气和换气功能得到一定改善，并且大鼠的肺组织微循环血容量得到恢复，保证了肺组织的血流灌注。此研究证明失血性休克正是聚合人脐带血红蛋白有望救治的目标病症之一。并且为了能进一步探究血液制品及血液代用品在失血性休克方面的应用，陈健钊等^[35]构建了成模率较高的重度失血性休克模型，此模型更加客观、准确地模拟了临床中患者进入失血性休克的状态，为研究者提供了更可靠的平台。可见，生物携氧治疗剂对失血性休克的应用具有非常广阔的前景。

2.3.2  生物携氧治疗剂在器官保护方面的应用  在体外的器官输注中，生物携氧治疗剂可延长体外器官保存时间，理想的器官保存液应含有能产生胶体渗透压的成分^[36]，聚合血红蛋白(PolyHb)是血红蛋白的聚合体溶液，属于胶体溶液，并能够通过改变溶液中聚合血红蛋白的浓度来调节其产生的胶体渗透压, 因而加入器官保存液以后, 能够允许保存液中基本成分的自由交换而不致使细胞间隙膨胀。

2.3.3  生物携氧治疗剂对外科创伤和急诊复苏的应用  生物携氧治疗剂可以做到扩增血量和血液替换作用。在进行性出血复苏期间急诊室或手术室内常常有极大量的血液被浪费掉。红细胞代用品在急性情况下可以提供一种极好的复苏过渡方法在出血得以控制之前可以最大限度地减少库存血的用量。此外，产后出血也是外科出血最常见的一种形式，在世界范围内，大约每4 min就有一名妇女死于大量的产后出血。应用生物携氧治疗剂并采取适当措施控制出血，补充失血量，恢复氧负荷，可以纠正“冲刷现象”^[37]。此制品还是平时围术期中大失血需要急救的患者在缺血时提供挽救生命的一种非常有效的手段。

2.3.4  生物携氧治疗剂对贫血的应用  贫血是临床最常见的表现之一，急性重度贫血可导致组织缺氧性损伤甚至死亡^[38]。一般来说，输入血液或血液制品是临床治疗急性贫血的主要方法。但由于血液感染风险、血液短缺、血液误输、保存方式以及输血后红细胞比容本身的增加并不能改善血液黏度增加引起的循环供氧等因素^[39]，寻找合适的血液代用品成为必然趋势。刘慧芳^[40]通过探讨戊二醛聚合猪血红蛋白(pPolyHb)在犬急性贫血模型中的复苏效果及其对肝肾等组织的影响，进一步证明戊二醛聚合猪血红蛋白的有效，用犬等容血液稀释模型模拟急性贫血状态，研究红细胞不可获得的情况下戊二醛聚合猪血红蛋白的作用效果，结果显示戊二醛聚合猪血红蛋白在无红细胞制品情况下使用对血流动力学稳定的维持较晶体液有一定优势，对组织的氧供也有一定程度的改善，并且可以降低肝肾损伤因子的活性，这表明戊二醛聚合猪血红蛋白能够显著改善犬由于等容血液引起的急性贫血状态。

镰状细胞性贫血有较多并发症如血栓性微血管病、高血糖综合征等。高血糖综合征是一种威胁生命的疾病，其特征是通常在输血后加速破坏红细胞，且最佳治疗策略尚未确定。1名19岁的非洲裔美国男性患有镰状细胞性贫血，在部分红细胞交换输血后经历了高血糖综合征，EPSTEIN等^[41]用甲基强的松龙、利妥昔单抗、达贝泊汀、HBOC-201(Hemopure)和硼替佐米联合治疗，并解决了这种综合征。说明利用戊二醛聚合牛血红蛋白的联合治疗可能对这种综合征有用。

2.3.5  生物携氧治疗剂对心肌缺血再灌注的应用  对缺血组织的主要治疗方法就是迅速恢复正常血流，但在血液再灌注过程中引起一系列复杂的刺激反应，进一步导致更严重的损伤。因此，心肌缺血再灌注诱发的损伤成为临床上难以克服的问题。心肌缺血再灌注的作用机制通过多条错综复杂的信号通路并且由多个作用因子共同参与。在心肌缺血时，需要找到及时恢复血氧含量，减少自由基释放的有效方法，减轻因再灌注造成的更严重的损伤。血红蛋白类血液代用品颗粒小、黏度低，容易通过阻塞的血管或经微循环进入体内，使缺氧组织重新获得氧。戊二醛聚合猪血红蛋白通过调节中度线粒体自噬对心肌缺血-再灌注损伤具有保护作用^[42]。杨博^[43]利用戊二醛交联剂对其血红蛋白进行分子内或分子间进行修饰聚合获得戊二醛聚合猪血红蛋白。戊二醛聚合猪血红蛋白具有可长期保存，分子直径小，不需交叉配型以及无病菌感染等特点，可快速打开阻塞的动脉，在短时间内有效的恢复氧供，避免造成血管收缩和血压升高等不良反应。在大鼠心肌缺血再灌注损伤动物模型中，戊二醛聚合猪血红蛋白复氧后发现改善了缺血组织的氧供失常，维持正常血压血流，减少了心肌梗死的面积。

2.3.6  生物携氧治疗剂对脑梗死的应用  脑组织的供氧水平取决于脑组织的血流量及其血中氧含量，若供血减少，导致局部脑组织血液供应障碍即出现脑梗死。临床中由于脑血管病变导致脑血管血供急剧减少，受累脑组织若能在短时间得到少量血供便可延缓缺血坏死进程。经介入技术的支持，HBOC-201可向梗死远端输注，在闭塞血管复灌注前向缺血脑组织供应、转运氧桥，以增加脑组织氧供，脑组织缺血、缺氧时，脑血管充分开放并得到有效灌注，这对改善预后有显著意义。并且HBOC-201可在加大血流量的同时降低血黏度以提高氧供能。因此研究认为HBOC-201应用于急性脑梗死具有可行性^[44]。

生物携氧治疗剂对心梗、恶性肿瘤也提供了有效治疗手段，降低心肌梗死后组织缺血坏死程度。此类血液代用品还能够使实体瘤中缺氧组织重新获得氧，改善肿瘤组织的氧合作用，从而提高肿瘤细胞对电离辐射和化疗的敏感性。缺氧是癌症的典型标志，有研究表明通过全氟辛酸和麸皮制备的两亲性聚合物自组装，构建出一种含氟聚合物胶束后引入全氟烷基，保留与全氟碳相似的载氧能力，可提高了胶质瘤细胞的氧含量，克服低氧肿瘤微环境^[45]。但是在对输血与肿瘤复发的回顾性研究资料中有着不同的观点，目前大多数学者还是倾向于输血可增加肿瘤复发的观点。因此输血应用于恶性肿瘤患者的最大的障碍，一直以来集中于输血是否会导致恶性肿瘤的复发转移，降低恶性肿瘤患者生存率及生存时间^[46]。

目前，全球血源不足，血型配型过程繁琐，稀有血型和人数的不断增加，给临床输血工作带来诸多不便。且随着艾滋病病毒和乙肝病毒等传染病病原体污染血源现象日趋严重，血液安全性问题也不容忽视^[1]。再考虑到血液制品固有的易腐性，在偏远或严峻的环境(如战场)中的部署进一步受到阻碍。为了更好的对有需求的患者进行复苏治疗，人们在开发安全、有效和可现场部署的人工氧载体方面做了大量的研究^[2]。在1966年，美国克拉克博士在实验室里研究氟碳化合物溶液并意识到它可能是人造血液的理想材料，这个发现开创了人造血液的研究方向。

生物携氧治疗剂是指具有载氧功能、维持血液渗透压和酸碱平衡及扩充血容量的人工制剂。目前主要有氟碳化合物(perfluomcarbon compounds，PFC)和血红蛋白类氧载体(hemoglobin-based oxygen carrier，HBOC)两大类。对于氧气来说，氟碳化合物是一个相当好的溶剂，可以自肺里携带氧气至人体内的各部分组织与器官，让细胞进行新陈代谢。在执行完其功能后可经由呼吸作用自肺排出，或经由排汗过程自皮肤表面排出。而血红蛋白氧载体的工作方式与普通红细胞大致相似，血红蛋白氧载体分子漂浮在血浆中，从肺中获得氧气并将其释放到毛细血管中，这些分子比红细胞小很多，因此可到达红细胞无法流经的组织，并且大多数血红蛋白氧载体在人体血液中停留约24 h，循环周期明显缩短。与简单的扩容剂相比，生物携氧治疗剂除能维持血液渗透压、酸碱平衡和血容量外，还具有较好的携氧能力^[3]，能向局部缺氧组织输氧，体内半衰期相对较长，能更好地减轻患者负担，提高患者生活质量^[4]。生物携氧治疗剂的研发对于缓解临床输血需求激增和血源短缺的压力，避免适配血型的繁琐和输血反应的发生，免除血液污染，保证输血安全等方面均具有重要意义^[5]。在临床上，外科创伤、急诊复苏、急性贫血等患者都依赖生物携氧治疗剂来恢复其组织氧供，并且在大量失血的情况下，最为关键的就是维持血液运送氧气的功能。但是目前，生物携氧治疗剂还未在临床上得到广泛的应用，其安全性和有效性也需进行进一步的研究与验证，文章综述生物携氧治疗剂的最新研究进展，以期为生物携氧治疗剂的研究和应用提供参考。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

1.1  资料来源  由第一作者检索CNKI、万方、Pub Med等数据库自2015年1月至2019年8月的相关文章，英文检索词为“Blood substitute, hemoglobin oxygen carrier, artificial blood，oxygen-carrying therapeutic agent”，中文检索词为“血液代用品，血红蛋白类氧载体，人工血液，携氧治疗剂”，检索文献类型为研究原著、综述。初检文章418篇。

1.2  资料筛选

纳入标准：通过文献阅读提炼出与文章相关的生物携氧治疗剂应用的研究原著、综述及论著。

排除标准：排除重复文献；排除与研究目及内容无关的文献。

1.3  资料提取与文献质量评价  首先查看通过CNKI、PubMed检索出的文章标题及摘要，再通过文献的精读对其进行评估，剔除重复文献，筛选出相关文献共计46篇，其中英文文献29篇，中文文献17篇。

文献检索流程图见图1。

生物携氧治疗剂取自人或动物血经加工制成，临床效果较好，维持时间较长。生物携氧治疗剂可以直接输注人体，且具有易于贮存、便于运输等特点，解决了常规血液制品存贮运输不便的问题。但是目前生物携氧治疗剂的临床应用时间和观察研究时间较短，在应用方面尚未完全成熟。并且在临床上出现少数不良反应如疼痛，高血压，黄疸，恶心，皮疹和血尿等。大部分生物携氧治疗剂属于胶体溶液，因此避免循环过载也是一个重要的考虑因素。

作为对人使用的一种血液替代品，除需要对其安全性进行彻底评估外，还应该对其在临床上的有效性进行评估，所以必须选择合适的临床适应证明确其效性。因此，针对目前生物携氧治疗剂的研究现状，应深入开展其开发利用，研究提高生物携氧治疗剂安全性和有效性的新方法，探索新型的生物携氧治疗剂的制备技术，加大生物携氧治疗剂的应用研究。并且随着对生物携氧治疗剂进行不断发展改进，期待生物携氧治疗剂在院前急救、失血性休克、急性贫血等疾病的治疗上为人类和动物带来福利！ 

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

文题释义：

生物携氧治疗剂：是指具有载氧气功能、维持血液渗透压和酸碱平衡及扩充血容量的人工制剂。目前主要有氟碳化合物和血红蛋白类氧载体两大类。与简单的扩容剂相比，生物携氧治疗剂除能维持血液渗透压、酸碱平衡和血容量外，还具有较好的携氧能力，能向局部缺氧组织输氧。是临床上一种具有广阔的应用前景的携氧制剂。

血红蛋白类氧载体(Hemoglobin-based oxgen carriers，HBOCs)：是一类通过血红蛋白分子表面化学修饰或分子间交联而形成分子量较大的血红蛋白制品，原料血红蛋白主要来源于人或动物血，目前应用较为广泛的是戊二醛聚合猪血红蛋白(pPolyCHb)和戊二醛聚合牛血红蛋(HBOC-201)。

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在临床上，外科创伤、急诊复苏、急性贫血等患者都依赖生物携氧治疗剂来恢复其组织氧供，并且在大量失血的情况下，最为关键的就是维持血液运送氧气的功能。因此，寻找一种与血液具有相同功能的代用品以解决相关疾病产生的困扰尤为重要。生物携氧治疗剂作为一种人工血液代用品在失血性休克、恶性贫血等疾病中发挥的作用备受研究者青睐。

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