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十五秒止血!“寄生惡魔”藤壺顯奇效,效果遠(yuǎn)優(yōu)于市售止血?jiǎng)?/h1>
2021-10-01 11:32:50
海外星云 2021年12期
關(guān)鍵詞:生物

BBC紀(jì)錄片《地球脈動(dòng)》第六集《冰封世界》中有這樣一副畫(huà)面:在南極半島的部分水面解凍后,便進(jìn)入了捕撈季,不遠(yuǎn)萬(wàn)里游到這里的座頭鯨,往往會(huì)瘋狂捕食蝦群,甚至是日夜不停地“作業(yè)”,因?yàn)橐坏┖Q蠼Y(jié)冰它就無(wú)法覓食。

捕撈蝦群時(shí)的座頭鯨

坐頭鯨捕蝦的動(dòng)作非常猛烈,翻騰起很大的水浪,但即便是不分晝夜的翻騰,粘附在它表面的藤壺,依然穩(wěn)立風(fēng)浪之中。如下圖,座頭鯨身上和尾部的白點(diǎn),正是藤壺本尊。

人們很早就注意到藤壺這種獨(dú)特性,但此前研究很少將其用在止血上。據(jù)統(tǒng)計(jì),出血過(guò)多導(dǎo)致了每年約200萬(wàn)人的死亡。那么是否可以控制出血?

當(dāng)前,臨床一般使用局部止血藥物,其原理是讓血液內(nèi)凝固增速。但是假如血液凝固速度趕不上傷口流血速度,止血藥的效果也會(huì)大打折扣。

座頭鯨

基于此,科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明出相關(guān)生物粘合劑,其原理是通過(guò)粘連密封出血組織來(lái)實(shí)現(xiàn)止血。但在當(dāng)前的生物粘合劑中,往往需要施加長(zhǎng)期穩(wěn)定的壓力,或者提供紫外線(xiàn)照射才能實(shí)現(xiàn)粘附,因此很難良好地用于臨床。

粘附在貝殼上的藤壺

一項(xiàng)新成果的誕生,意味著上述難題已得到攻克。

當(dāng)天,麻省理工學(xué)院(MIT)機(jī)械工程系教授趙選賀團(tuán)隊(duì),聯(lián)合梅奧診所的克里斯托夫S.納布茲迪克團(tuán)隊(duì),在Nature Biomedical Engineering發(fā)表了題為《由藤壺膠啟發(fā)的糊狀物快速且不依賴(lài)凝固的止血密封》的論文。

相關(guān)論文

該論文介紹了一種生物膠水,具備和藤壺膠樣的類(lèi)似特性,止血效果快速且牢固,而且不依賴(lài)體內(nèi)凝血機(jī)制。

生物膠水圖

據(jù)悉,雙面膠微粒和疏水油基質(zhì)混合之后,能變成一種可注射糊劑,并和富含脂質(zhì)以及粘合蛋白的藤壺,具有相似的功能。其中,疏水性油基質(zhì)可起到排斥血液的作用,使生物粘合劑微粒相互作用,并與生物組織表面進(jìn)行快速、牢固的交聯(lián)。

從左到右:論文第一作者兼共同通訊作者陸賢宇、論文共同第一作者、以及共同通訊作者趙選賀

15秒即可止血,它為什么這么強(qiáng)?

生物膠水的主要材料是殼聚糖、以及丙烯酸基生物黏合劑微粒,其中的N-羥基琥珀酰亞胺酯承擔(dān)著交聯(lián)劑作用,它能提供牢固的生物粘附性,類(lèi)似于藤壺的粘性蛋白。從外觀(guān)形態(tài)來(lái)看,它是一種膏狀物,可通過(guò)注射方式進(jìn)入生物組織內(nèi)。

研究中,吳晶晶和團(tuán)隊(duì)將這種材料的薄片冷凍,將其研磨成微粒,然后將這些顆粒懸浮在醫(yī)用級(jí)硅油中。當(dāng)把得到的糊狀物涂在濕表面,比如覆蓋有血液的組織上時(shí),油就會(huì)排斥血液、以及其他可能存在的物質(zhì),從而使粘性微粒交聯(lián)并在傷口上,并形成緊致的密封。

遇到血的時(shí)候,油能先把血液排斥開(kāi),環(huán)境就能變得更干凈,這時(shí)生物粘合劑微粒與組織表面形成氫鍵發(fā)生快速的物理交聯(lián),輕壓之后,生物粘合劑微粒中的NHS酯基與富含伯胺基的組織表面形成共價(jià)交聯(lián),從而到達(dá)牢固的粘附性。

其中,排斥交聯(lián)機(jī)制起著重要作用,它可帶來(lái)快速的止血能力,并且不依賴(lài)生物體內(nèi)凝血系統(tǒng)的止血能力。

生物膠水外觀(guān)

止血效果

吳晶晶表示,在大鼠模型的大面積快速?lài)娧h(huán)境中使用該膠水時(shí),首先要輕輕滴按壓膠水,這時(shí)膠水中的硅油基質(zhì)排斥和清潔組織表面的血液,從而讓膠水中的生物粘合劑微粒與傷口組織5秒內(nèi)形成氫鍵,產(chǎn)生快速物理交聯(lián),形成黏附。

為驗(yàn)證生物膠水的實(shí)際能力,在離體密封豬心臟組的血浴實(shí)驗(yàn)中,吳晶晶讓生物黏合劑微粒和不同的基質(zhì)材料組合使用,并分別測(cè)量了拉脫力大小。

結(jié)果發(fā)現(xiàn),一旦給生物黏附微粒加上硅油基質(zhì),即可產(chǎn)生較高的拉脫力。這說(shuō)明當(dāng)生物黏附微粒和血液混合時(shí),硅油基質(zhì)可起到很好的保護(hù)作用。

吳晶晶指出,特別是在心臟和動(dòng)脈等有噴射壓的運(yùn)動(dòng)器官中,該膠水粘得又好又快。而在大鼠肝臟和心臟損傷模型上的實(shí)驗(yàn)中,她也評(píng)估了止血時(shí)間和失血量,實(shí)驗(yàn)證明該生物膠水在5秒內(nèi),即可對(duì)出血肝臟或心臟實(shí)現(xiàn)有效止血封堵。相比體內(nèi)自發(fā)凝血系統(tǒng)Surgicel和市售止血?jiǎng)〤oSeal,生物膠水止血效率更高。

生物降解性和生物相容性,和市售產(chǎn)品相當(dāng)

吳晶晶表示,相比其他已被FDA批準(zhǔn)的商用粘合劑,此次生物膠水的最大優(yōu)勢(shì)在于,在運(yùn)動(dòng)器官上可實(shí)現(xiàn)快速黏附。他們發(fā)現(xiàn)市售粘合劑在含有血液的高動(dòng)脈壓強(qiáng)環(huán)境中,往往不能立馬起到粘附作用,止血能力更是難以企及。

而該生物膠水可在15秒內(nèi)止血,假如將來(lái)真的遇到戰(zhàn)爭(zhēng),大出血往往是造成死亡的主要原因。同時(shí),縫合線(xiàn)通常用于縫合傷口,但縫合傷口是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程,急救人員通常無(wú)法在緊急情況下進(jìn)行。這時(shí),生物膠水就能起到救急作用,讓傷員實(shí)現(xiàn)迅速止血。

生物膠水的止血能力

但是,畢竟是直接進(jìn)入生物組織內(nèi),光有粘附力還不夠,還得具備生物降解性和生物相容性,才能說(shuō)明這是一款好膠水?;诖耍ㄟ^(guò)體外大鼠心肌細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)大鼠皮下移植模型來(lái)驗(yàn)證。

在生物降解性上,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比,該膠水對(duì)大鼠心肌細(xì)胞的體外細(xì)胞毒性相當(dāng)。此外,吳晶晶還使用背側(cè)皮下移植方法進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示該膠水引發(fā)的炎癥十分輕微,與FDA已批準(zhǔn)的生物粘合劑CoSeal的生物降解性相當(dāng)。在3個(gè)月內(nèi),殘留膠水可在體內(nèi)完全代謝。

在生物相容性上,吳晶晶給免疫細(xì)胞T細(xì)胞染色后發(fā)現(xiàn),膠水并未在體內(nèi)引起較大排斥反應(yīng)。具體來(lái)說(shuō),她和團(tuán)隊(duì)分別對(duì)α-平滑肌肌動(dòng)蛋白(αSMA)、I型膠原、以及與炎癥反應(yīng)相關(guān)的T細(xì)胞(CD3)和巨噬細(xì)胞(CD68)等成纖維細(xì)胞的標(biāo)記物,做了免疫熒光強(qiáng)度分析,發(fā)現(xiàn)均未引起較大排斥反應(yīng),這一能力和CoSeal粘合劑的能力沒(méi)有明顯差異。

對(duì)于進(jìn)入生物體內(nèi)的“異物”,是否會(huì)給止血修復(fù)后的器官造成額外損傷,也是該團(tuán)隊(duì)的關(guān)注重點(diǎn)。為此,吳晶晶又做了炎癥和外源反應(yīng)標(biāo)記物的免疫熒光分析,她發(fā)現(xiàn)該生物膠水誘導(dǎo)出來(lái)的CD3和CD68表達(dá)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于體內(nèi)自發(fā)凝血系統(tǒng)Surgicel,并于市售止血?jiǎng)〤oSeal相當(dāng)。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)大鼠肝臟止血14天后,通過(guò)全血細(xì)胞計(jì)數(shù)和血液化學(xué)分析,她發(fā)現(xiàn)這只曾被止血的大鼠,其炎癥相關(guān)血細(xì)胞和器官特異性疾病標(biāo)志物,跟健康大鼠沒(méi)有明顯差異。這說(shuō)明在器官愈合過(guò)程中,生物膠水并不會(huì)造成嚴(yán)重的器官損傷。

此外,他們還用生物膠水完成了大動(dòng)物豬的肝臟止血修復(fù)模型。論文作者之一的克里斯托夫S.納布茲迪克表示,生物膠水可以在15秒內(nèi)對(duì)出血的豬肝臟損傷進(jìn)行快速止血,且經(jīng)過(guò)止血治療的豬在四周內(nèi)仍然存活,并未出現(xiàn)任何不良反應(yīng),而市售的Tachosil卻在按壓3分鐘后仍不能完全止血,最后生物膠水拯救了這頭豬并讓其繼續(xù)存活。

該研究的共同第一作者兼共同通訊作者、來(lái)自MIT的陸賢宇表示:“這非常有趣,因?yàn)橐忾]出血組織,你不僅要跟體內(nèi)的潮濕環(huán)境作斗爭(zhēng),還要對(duì)抗正在流出的血液。我們發(fā)現(xiàn),這種生活在海洋環(huán)境中的生物正在做的事情,跟我們處理復(fù)雜出血問(wèn)題時(shí)必須做的事情完全相同。”

他還表示:“我們認(rèn)為這種糊狀物可能有助于阻止嚴(yán)重出血,包括內(nèi)臟和凝血障礙患者或血液稀釋劑。這可能對(duì)照顧軍事和平民創(chuàng)傷受害者有用。”未來(lái),該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在較大的傷口上測(cè)試這款膠水,并希望探索它是否可用于治療外傷。(摘自美《深科技》)(編輯/萊西)

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