在世界范围内，每年都有很多人因创伤和疾病造成的失血而死亡。我国人口众多，每年血液消耗量以千吨计，仅靠义务献血明显不足，加之新鲜血液的储存期短，临床供血面临严峻挑战。另外，经血源传染的病例也不在少数。所以多年来人们一直在探索是否能研制出一种人造血液替代品。预计在未来几年，全球人造血替代品市场将会呈现出惊人的增长速度。
人造血是指人造血细胞及其功能替代物，能够用来代替真正的人血，以满足人们对血液的需求，弥补当下的血荒。主要用于模拟生物血液的携氧能力并增加人体血容量。目前，使用人工血液替代品被视为是输血的一种替代方法。现阶段，制造人造血液的方式比较多，包括利用供体干细胞培养大量具有载氧能力的红细胞（RBC）。日本研究人员在 2013 年发表研究称成功利用干细胞培育出了能够携带氧气的红细胞，但存在提取程序复杂、制备成本高等问题。
近日，华南理工大学朱伟教授和美国新墨西哥大学 Jeffrey Brinker 院士作为共同通讯作者，在 ACS Nano 上发表了题为 Biomimetic Rebuilding of Multifunctional Red Blood Cells: Modular Design Using Functional Components 的研究论文。在论文中，研究人员从仿生学角度出发，模拟天然红细胞性质和功能，制造出了一种与天然红细胞具有相似特性的人工合成红细胞（以下称为 “人造红细胞”），为急性输血提供了另一种新思路。
朱伟于 2014 年获得清华大学化学系博士学位，师从李广涛教授，主要研究超分子化学和功能纳米材料；2015 年 - 2019 年在美国桑迪亚国家实验室 / 新墨西哥州大学联合实验室进行博士后研究，师从国际著名材料学家、美国两院院士 Jeffrey Brinker，主要研究纳米加工和生物仿生；2019 年初，朱伟全职加入华南理工大学生物科学与工程学院。
朱伟一直围绕材料和生物相结合开展多学科交叉研究，重点集中在生物仿生和生物智能改造。其课题组研究方向主要集中在四个方面：一是红细胞工程，包括人造血液的开发和保存以及血液疾病因子检测；二是通过材料手段对整个生物体系进行功能调控，构建全新的材料生物复合体，具体应用集中在疫苗个性化设计、肿瘤治疗、噬菌体高通量筛选和生物标记物高通量筛选等；三是新型酶固定化技术开发，主要应用在生物能源，燃料及生物医药化学品的高效制备；四是基于生物矿化技术从事生物仿生修复。
“生物材料是一个学科高度交叉的领域，需要具备很多专业方面的知识，包括化学、材料、生物或者微加工背景。既可以偏向技术科研领域，也可以偏向基础转化领域，每个领域都有很多机会。” 当被问及为何会选择目前的研究方向时，朱伟这样对生辉说。
围绕红细胞工程化，朱伟与生辉分享了他对人造红细胞制备及应用前景的见解。
图 | 朱伟（来源：本人提供）
人造红细胞稳定性更强
生辉：您可以和我们具体讲讲论文中提及的人造红细胞？
朱伟：我从以下三个方面（制备方法、细胞结构和功能）讲解一下我们论文中的人造红细胞。
第一方面是制备方法，可以分四步走。
第一步：通过仿生矿化方法，将硅氧烷水解在红细胞内部，固定整个红细胞的结构。然后再通过灼烧，将红细胞内整个有机部分烧掉，最终就得到仅含有二氧化硅的无机模板，这个模板能很好的复制红细胞的双凹结构和尺寸；第二步：以生物矿化后的血红细胞为模板，通过层层自组装的方法，将生物相容性好的高分子如海藻酸钠和壳聚糖逐层沉积至模板外部。通过精确控制沉积的膜厚和交联度来控制薄膜的弹性模量，使其尽可能接近人体红细胞的弹性模量；第三步：通过精确刻蚀的方法，去掉第一步中的二氧化硅壳层，赋予人造红细胞更好的柔性； 第四步：将之前已剥离出来的血红细胞膜重新包裹至第三步制备的血红细胞高分子复制品外部，使重构的血红细胞具有与天然血红细胞的相似表面性质，从而最终实现仿生重构血红细胞的构筑。
图 | 人造红细胞的设计、制备及其属性（来源：上述论文）
第二方面是结构论证，通过扫描电镜和荧光显微镜观察，发现人造红细胞和天然红细胞结构一样。
第三方面是功能论证，包括人造红细胞力学行为、流动性、循环能力和载氧量。首先，研究了人造红细胞的力学行为，构建毛细血管的微流模型，模拟血红细胞穿过人体毛细血管的行为。研究发现通过选择合适的厚度和控制交联度，人造红细胞具备和天然血红细胞相似力学行为。人造血红细胞通过毛细血管微流模型后结构没有受到影响；其次，研究了人造红细胞的流动性及其体内循环能力。为此构建了两种实验模型：一种是鸡胚胎模型，我们发现人造红细胞可以在鸡胚胎模型里面长时间流动，还观察到人造血红细胞可以以挤压形变的方式通过细小毛细血管；另外一种是小鼠模型，发现人造红细胞在小鼠体内的半衰期将近 2 天，超过普通人工合成药物载体，文中检测方法为荧光标记法，因选择的荧光分子稳定性不够好，半衰期检测上存在一定误差；真实的半衰期可能超过 2 天，后续会进一步评定；最后，评估了人造红细胞的载氧量，观察到人造红细胞负载血红蛋白以后，其载氧行为与天然红细胞相当。
生辉：红细胞膜表面会存在膜蛋白，实验中使用的膜会模拟膜蛋白吗？
朱伟：实验中所用的膜是直接选用天然红细胞膜，膜蛋白都在，无需添加膜蛋白。
生辉：您觉得制备人造红细胞的意义是什么？这项研究有什么应用？
朱伟：我觉得可以从科学意义和临床意义两个方面分析。
从科学意义来评估人造红细胞体系，可以从两个角度进行分析。一是从仿生学角度来看。仿生的目的在于模仿生物的结构和功能。通过调研，我们发现目前大部分的研究只是模仿红细胞的某个或几个功能，很少会对红细胞所有性质进行模仿（注：红细胞的性质包括大小、尺寸、膜表面性质、力学行为、循环能力、和载氧能力等）。我们合成的人造红细胞真正做到了这一点，与天然红细胞非常相似。二是从功能角度来说，我们体系的功能可以通过模块化引入，能够实现多种功能的集成。
从临床意义来剖析人造红细胞体系，有四种潜在的临床意义和应用方向。第一点，可以应用于输血，用人造红细胞体系构建真正的万能血；第二点，可以用于血液中毒素的清除和原位检测，把毒素分子吸附到人造红细胞表面，清除血液里面的毒素分子，并原位告知血液里面残余的毒素含量；第三点，可控地负载抗炎药物，清除毒素时，可以原位释放抗炎药物，治疗炎症反应；第四点，在循环能力提升的基础上，构建携带药物的个性化红细胞，尝试应用于痛风等慢性病的治疗。
生辉：红细胞在数十年之前就被认为是药物递送的理想载体，我们了解到已经有很多关于利用红细胞作为药物载体的研究了。相比之下，本实验中的人造红细胞的最大优势是什么？存在哪些局限性，您打算怎样解决？
朱伟：人造红细胞的一个优势就是稳定性强，保存更长时间，解决存储时间短的问题；生物学安全性高，更利于推向临床应用；相比通过造血干细胞的方式制备血红细胞，整个制备工艺比较简单和制备周期短，可以降低成本，为未来临床应用提供无限可能。
人造红细胞也存在一些不足，比如说循环能力比较短，即半衰期短。相比较而言，正常人的红细胞在体内可以用循环大约 120 到 180 天左右。对此，我们计划重新评估我们构建的体系，改进制备工艺，提升循环能力。具体实施方法包括精确控制薄膜的厚度、交联度或改变高分子的组成，尽可能使人造红细胞的硬度和真正的红细胞匹配，或者稍微降低人造红细胞的硬度以期延长循环时间；另一方面，优化红细胞膜的提取工艺，或基于课题组在磷脂膜领域的多年经验积累，尝试以人工合成的磷脂膜取代现在用的红细胞膜，以达到规模化生产和降低成本的目的。
目前，很多课题组已经进行了自体提取红细胞，做工程化和基因编辑化的改造，所以半衰期将会是整个应用中的关键所在。
中外红细胞产业断层已现
生辉：目前红细胞载药的应用方法主要是？
朱伟：目前有很多用红细胞进行药物载体和治疗的研究，剖析这些研究，我觉得可以分为三类。第一类是红细胞表面直接修饰，通过共价交联的方式将功能分子修饰于红细胞膜表面；第二类是红细胞内部封装。将红细胞放置于低渗溶液中从而将药物分子等直接注入到红细胞内部，但该方法可能会对红细胞的稳定性造成影响（注：与包裹的物质种类以及包裹量有关）；第三类是以干细胞作为来源的工程化红细胞负载药物。
生辉：人造红细胞可以装载和递送基因治疗 CRISPR 工具？您会不会考虑用材料手段去在 AVV 上做基础改造？
朱伟：我们的人造红细胞可能不太合适去做基因治疗。基因治疗需要进入细胞内部，我们的红细胞尺寸和正常红细胞一样，主要是在血管和毛细血管中流通。如果要用人造红细胞去做基因治疗，需要换掉人造红细胞的核或者把它的尺寸缩小到更为合适的范围，比如说纳米级别。我们现在重点方向是围绕在红细胞的工艺和半衰期改造上，完成一系列工作之后，再去考虑其他应用。目前，我希望集中研究方向，专注于自己的四大研究布局。红细胞工程化是一个很好的点，从中可以延伸出其他分支。
生辉：随着本篇论文的发表，相信您关于红细胞工程化改造的研究也在陆续推进中？能和我们谈谈您的下一步计划吗？您觉得目前国内外红细胞疗法产业有何异同点？
朱伟：我们下一步会进一步提高循环时间，延长半衰期，优化制备工艺。然后拿到技术专利，发表论文，最终尝试将人造红细胞推向市场。目前，国内外很重视红细胞工程技术，国内红细胞工程市场规模很大，资本相对比较青睐；红细胞工程化改造是热点技术，国外有很多相应的公司，国内相对比较少且起步比较晚；从长远来看，国家在很多技术领域需要掌握自己的核心技术，红细胞领域亦然，否则会受到技术压制。
生辉：一些国外的红细胞公司已经上市（比如 Rubius Therapeutics），但国内还没有同类型的公司，对此您怎样看？
朱伟：红细胞产业形式比较严峻，药物研发需要 10-15 年的时间，国外产品已经到研发 II/III 期了，国内才刚刚起步，甚至可以说国内外的红细胞产业已经出现了断层。一旦国外公司占据了市场以及垄断了技术，未来国内红细胞技术会受到很大的限制。我希望通过我们的工作，吸引更多的人参与进来，推动国内红细胞产业蓬勃发展。
