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饶毅 | 输血:一个人一个简单的创造性实验突破了上千年的徘徊

人类长期关心输血,但一直不能成功。
 
安全有效输血不过百余年的历史。
 
1901年,奥地利的兰德斯坦一个人用一个非常简单的实验,发现了血型,指明了如何输血可以成功,从此挽救了很多人的生命。
 
7.3 输血:愿望和困境
 
有关血液,人类流传很多不同看法、不乏浮想联翩。所谓血型与性格的关系,长期流传而缺乏证据。所谓放血疗法,历史上常有人推广而缺乏有效性的证据。
 
十九世纪,人类理解血液由细胞和血清两部分组成。细胞如红细胞、白细胞、血小板。血白细胞有粒细胞(中性、嗜酸性、嗜碱性粒细胞)、淋巴细胞、吞噬细胞、天然杀伤细胞、肥大细胞等多种起防卫机体的作用(Ehrlich,1878;Ehrlich,1891a; Ehrlich and Lazarus,1898)。缺血、或缺乏血液的特定成分可导致人类疾病。血清中含多种分子。
 
人类从很早开始希望输血、或补充血液中特定成分,但不同时期遇到不同的实际困难。输血有很大危险。
 
一种传说是教皇无辜八世(Pope Innocent VIII, 原名Giovanni Battista Cybo, 1432-1492)半昏迷后,医生曾安排他与三位十岁的男孩进行换血,结果四人都去世。 1656 年,英国建筑家、科学家Christopher Wren(1632-1723)给狗注射过红酒和啤酒(Maluf, 1954),1663年他和Robert Boyle (1627-1691) 给狗进行静脉注射,虽然他们注射的是诸如酒和鸦片,但也奠定了输血的基本技术和流程 (Learoyd,2012a)。
 
1665年2月,英国医生Richard Lower (1631-1691)在两只狗之间输血(Lower,1666a,1666b;Maluf, 1954)。
1667年6月15日,法国路易十四的御医 Jean-Baptise Denys (1643-1704)把12盎司(约 340 毫升)的羊血输给 15 岁的男孩,第二例是输给劳工,两人都活下来了。第三例是瑞典男爵 Gustaf Bonde (1620-1667),在接受第二 次羊血后去世。
 
当时并不知道血液的功能,一方面氧气尚未发现,另一方面还相信血与性格的关系。1667年11 月23日, Lower和Edmund King (1630-1709)在皇家学会将羊血输给Arthur Coga (Lower and King,1667),目的是为了改善其头脑“太热”,所以用温顺动物(绵羊)的血(Maluf,1954)。法国 Denys 医生用的第四例是经常离家 出走的疯子 Antoine Mauroy,其主人和妻子先后要求Denys输小牛的血改变他,后 来死亡(Maluf,1954)。这些做法以后当然被质疑。
 
输血的安全性明显有问题,法国、英国、教皇都禁止输血近 150 年。在不懂血液功能、不懂消毒、不懂免疫的多重无知的情况下,输血必定难以成功。
 
虽然十八世纪还有努力、传闻和不完备的记载,包括 Eramus Darwin(1731-1821)曾设计过输血的仪器,但当时非输血的热门时期。不过,十八世纪的科学奠定了输血的基本知识。英国的 Joseph Priestley(1733-1804)和法国的 Antoine Lavoisier (1743-1794)发现氧气及其功能。此后,人们才理解血液给全身输送氧气的作用。
 
从 1242 年阿拉伯学者 Ibn al-Nafis (1213-1288)到1628年英国的William Harvey (1578-1657),人类终于理解了血液循环、心脏与血流的关系、血流的方向(Harvey,1628)等基本的问题,对此前认为的血液无方向弥散全身等错误观点进行了澄清与修正。
 
十九世纪,英国妇产科医生 James Blundell (1790-1878)进行了第一次有确切记载的人与人之间输血。鉴于产后出血常常导致死亡的发生,他提出输血可能是有益的解决途径。
1818 年,他先用动物做实验,让狗放血后,再注射来自其他动物的血液。他证明不同种动物之间输血导致死亡(但在狗的血完全放完后,输入羊血,狗可以恢复好几天之后再死亡)(Blundell,1818)。他也发现血液不能在体外保存太长时间(低于30秒)。他还证明给动物输来源于其自体的血是安全 的,而且血液通过他发明的仪器重新回到动物体内是安全的。他实验了输血过程如何防止混入气泡导致的血管阻塞。
 
1818年12月22日,在其他医生要求下,他给一位濒临死亡的胃癌患者输了来自几位志愿者的血,状态有好转后两天还是去世了 (Blundell,1819)。1818至1825年,他试过6例输血,都不成功。1825年,他与Charles Waller (1802-1862)和Edward Doubleday (1799-1882)成功地给产后失血昏迷的妇女进行输血,并挽救她们的生命,其中第一例的血来自患者的丈夫,有些来自医护人员(Doubleday, 1825; Waller, 1825; Dzik, 2018)。他还发明和比较了几种输血仪器(Blundell,1824,1829b)。
 
输血危险性和不确定性仍然很明显。
 
1869年,德国哥廷根大学生理研究所的医学生 Adolf Creite(1847-1921)发表他的观察和实验结果。法国 Claude Bernard(1859)发现狗血清注射到兔体内,会导致兔出现血尿。在此基础上,Creite 给兔分别注射约 8 毫升的小牛、猪、狗、羊、 猫、鸡、鸭、或山羊血清,发现后 5种血清的注射直接引发兔的尿中出现血、生病、 死亡。他猜想是血清中所含蛋白质导致兔的血尿。他进一步实验,加热处理血清,出现的蛋白质凝聚物被过滤之后,再注射给兔,就不会有血尿和死亡的发生。因此,他提出血清蛋白质导致接受输血的动物红细胞溶解。体内实验后,他还进行了体外实验,将兔血与其他动物的血清混合,发现红细胞凝集现象。他在体外也观察到了 红细胞溶解、但对其重要性不甚明确(Creite,1869;Hughes-Jones and Gardner,2002)。
 
德国病理学家 Emile Ponfick(1844-1913)于 1874 年向波罗的海医生协会报告: 一位34岁妇女死于输羊血,他称病理解剖发现其血含溶解的红细胞。1875年,Ponfick通过羊对狗输血证明羊的红细胞溶解、尿液含血红蛋白(血红蛋白尿),他进一步证明狗的血红蛋白尿来自羊,因为如果只注射羊的血清、而不是全血,狗就不会有血 红蛋白尿(Ponfick,1875)。
 
1875 年,德国生理学家 Leonard Landois (1837-1902)出版了358页的专著《输血》,总结了1667年至1874年的478例输血。
其中129例输动物血给人,原作者号称42例患者有所改善,62例没有改善,25例暂时改善但不可靠。347例人对人输血,150例“改善”,180例不佳,12例不明,3例结果未知,2例在输血过程中去世 (Landois,1875;Maluf,1954)。他在体外显微镜研究八种动物血清对其他动物红细胞的作用,观察到一种动物的血清导致另一种动物的红细胞溶血和凝集现象 (Landois,1875; Hughes-Jones and Gardner,2002)。
 
1894 年,在 Koch研究所工作的Richard Pfeiffer (1858-1945)发现“Pfeiffer现象”:将霍乱弧菌注射到对霍乱有免疫力的豚鼠或兔的腹腔,霍乱弧菌会变形然后溶解;如果将霍乱弧菌与少量对霍乱免疫的抗血清注射到对霍乱没有免疫力动物的腹 腔,霍乱弧菌也会被溶解(bacteriolysis) (Pfeiffer,1894)。当时 Pfeiffer认为这种现象只能在动物体内发生,而在法国巴斯德研究所的Metchnikoff证明在体外也一样发生(Metchnikoff,1895)。
 
1895 年,在Metchnikoff 实验室工作的比利时科学家Jules Bordet(1870-1961)发现霍乱弧菌在抗血清作用下出现凝集现象(Bordet,1895)。 维也纳大学的Max von Gruber(1853-1927)发现抗血清对霍乱和伤寒杆菌的凝集作用(Gruber and Durham,1896)。
 
1898年,Bordet 在体外观察到一种动物血清一般都能导致另外一种动物的红细胞凝集,例如鸡血清可凝集大鼠和兔的红细胞。异种动物血清也可以溶解红细胞(如 兔血清溶解豚鼠红细胞),导致其内含血红蛋白外泄。55oC 加热处理血清可以灭活 其溶血作用,但不影响其凝集作用。血清对红细胞的溶血和凝集作用,与血清对细菌的作用很像,而且这两种作用依赖的血清内物质对热的敏感也类似,所以Bordet提出血清中影响红细胞的物质与血清中对抗细菌(如霍乱菌)的物质类似。因此, Bordet的研究不仅明确血清对红细胞的两种作用,而且提出血清抗异种动物红细胞 的机理类似于血清抗病原菌的机理(Bordet,1898,1899)。
Bordet 的概念很快被接受。Ehrlich 指出:“很可能溶血的机理与溶菌的机理非常 相似。因此溶血的研究就有相当的理论意义”(Ehrlich and Morgenroth,1899)。Ehrlich 与 Julius Morgenroth(1871-1924)合作研究溶血,在1899年和1900年发表六篇“溶血”的研究论文(如:Ehrlich and Morgenroth,1899,1900a,1900b)。
 
从古代将输血作为一个特殊问题,到19世纪末科学家终于确定输血问题也是免疫问题。
 
7.4 血型:突破
 
因为Creite(1869)发现体外可以观察血清导致红细胞溶解和凝集、Landois(1875)进一步使用体外红细胞凝集和溶解的方法,实质上建立了体外血型检验的方法学。 Bordet(1898,1899)提出血清对细菌和红细胞的作用类似而将红细胞的血型分析明确纳入免疫学。
 
也就是说,十九世纪末,已经出现大部分有关输血的技术和科学基础,但缺一关键进展:血型及其匹配。也就是一种“万事俱备,只欠东风”。
 
1900和1901年,奥地利维也纳大学病理解剖研究所的Karl Landsteiner (1868-1943)发现了人类的血型。检测血型的方法非常简便而实用。
今天我们知道有几十种主要血型,至少几百种不同红细胞表面抗原,Landsteiner发现了对输血影响最大的ABO血型和Rh血型。
 
既然之前无人知道血型,Landsteiner不可能是为了发现血型而研究血液,而且他也不是为了输血而研究血型。
 
1900年,他先用动物研究胰蛋白酶抗体的形成,希望通过抗体来研究当时化学不能区分的蛋白质差异,他也研究了牛血清对豚鼠红细胞的沉淀和凝集作用。他用碳酸或硫酸铵沉淀牛血清,将血清分成被碳酸所沉淀出 来的球蛋白部分和其他部分。将溶液的氯化钠浓度调到 0.6%之后,可以溶解球蛋白。 Landsteiner用豚鼠红细胞来比较牛血清的球蛋白部分和非球蛋白部分的凝集作用,发现球蛋白作用强于其他部分。他也比较了球蛋白部分和非球蛋白部分对红细胞的溶解作用,发现两者没有差别。
 
在此过程中,他有其他观察,他加在论文的注脚中: “健康人的血液可以凝集动物的红细胞,而且人的血液也可以凝集其他人的红细胞。不清楚这样现象是否源于个体差异、还是损伤或细菌感染影响。重病人的血清这一现象更明显。这一现象也许与1892年Maragliano发现的血清可以溶解多种疾病患 者红细胞的现象有关”(Landsteiner,1900)。
 
1900年这一注脚成为1901年Landsteiner研究的起点(Landsteiner,1901)。Landsteiner 首先澄清自己的研究与Maragliano(1892)不同,最大的差别在于Maragliano观察到的溶血在同一个人的体内发生,可能与疾病有关,而 Landsteiner 发现的红细胞凝 集和溶血只在不同个体的人之间发生。按 Ehrlich and Morgenroth(1900a)的定义, Landsteiner 指出自己研究的也是同种异体的凝集素和溶血素(isoagglutinins 和 isolysins)。
 
他用三张表列出了做体外凝集实验的结果,含6位成年男性之间、6位产后女性之间、5位产后女性和6个胎盘的红细胞之间的结果,另外还做了 10 位成人,其结果与表格显示的一致。
表一
 
表一可见,St和Landsteiner 本人(L)的红细胞不会被其他五位的血清所凝集;
 
Pletsching和Z两位互相不凝集,也不凝集St和L,但凝集Sturli和E;
 
Sturli和E也互相不凝集,不凝集 St和L,但凝集Pletsching和Z。
 
也就是说:六位成年男性按红细胞凝集情况可以分成三组。
表二
 
表二可见,六位产后女性也分成三组:
 
Linsm不与其他五位发生凝集;
 
Seil、Mittelb和Tomsch三位互相不凝集,也不凝集Linsm,但凝集Lust和Graupn;
 
Lust和Graupn也互相不凝集,不凝集Linsm,但凝集Seil、Mittelb和Tomsch。
表三
 
表三可见,产后女性的血清与胎盘的红细胞在凝集反应中,就不如以上这么简单。Landsteiner 提出以前 Halban 就发现婴儿血清在凝集反应也常常阴性。
 
Halban(1870-1937)是维也纳大学的妇产科医生,他读过1900年Landsteiner文章的注脚后,用产妇和婴儿的血做过凝集实验(Halban,1900)。
 
Landsteiner提出不考虑胎盘的红细胞结果,可以看到成人血清和红细胞的凝集反应呈三类:A、B、C。他将对其他不起反应的称为C,另外两类为A和B。当时所谓的C型,他后来改称O型。
 
他没有交叉检测六位男性和六位女性,所以并不确切知道男性的三类与女性的三类是否相同。因为他用的人数太少,所以没有发现AB型。
 
文章结尾指出:“最后,不妨提到这些观察可能协助解释治疗性输血各种后果”。
 
Landsteiner(1901)的研究相当简单,但意义重大。基本技术非他发明。他实验设计中应用的均为已有技术,但他有创新的想法。实验的操作也很简单,不需要复杂仪器或实验高手。实验需要的时间也很短,一周几十人很容易,一天做几十人也并非难事。说明即使在生物学,有时候想法也比技术、手段、苦干更重要。
当时为什么没有其他人用同样方法研究血型?在他之前,已知不同个体之间输血有问题,在一定程度上等于已经用输血技术从体内角度监测到个体差异,但没有科学家用体外实验检验不同个体来源的血清和红细胞之间的反应。与 Landsteiner 研究最接近的是回到比利时的Bordet以及德国的 Ehrlich和Morgenroth。Bordet在 Landsteiner之前已经做了很多体外血清和红细胞的溶解和凝集反应,而Ehrlich 和 Morgenroth接连发表了六篇体外血清和红细胞的溶解和凝集反应,每一篇都比Landsteiner (1901)的长。Ehrlich和Morgenroth当时集中探寻免疫的规律,特别是 “侧链学说”,可能忽视了从实验设计和操作上都更容易解决的血型分析和匹配问题。
 
在知道 Landsteiner(1901)结果后,Ehrlich 持反对态度:人为什么有个体间的免疫 反应?其他人不是病原菌,一个人用不着通过免疫系统对付其他人。这个问题当然不是 Landsteiner带来的,因为早就知道人对人输血经常不成功,虽然以前可能有如操作不当、血液保存不妥等多种其他非免疫的原因,但到了1900年,应该可以提出个体间的差异导致的免疫反应是输血困难的原因之一。但是,Ehrlich问题的简化版: 为什么一个人在生理上要有机制破坏另一人的红细胞?两个人的血从来不见面,自然界设计这种机理岂非多此一举?这种问题确实不好回答,其答案的提示在 Landsteiner的表3(虽然当时他自己也不知道表 3的意义)和本章的第6节(免疫耐受),即这个问题需要反过来思考:为什么一个人的免疫系统不攻击他自己,只攻击其他外来物?
 
1900年Landsteiner 的课题并非血清与红细胞的关系,他最初试图用血清来检测蛋白质的特征(包括来自不同动物种属的同一蛋白质的差别)。他在 1900年的注脚,燃起了自己的兴趣,很快用简单的实验揭示了血型的规律,而且立即提供了可以用 于临床实践的方法。但他那时无论血液学还是免疫学的研究并未达到 Bordet、Ehrlich、 Morgenroth等的程度。
 
Landsteiner的研究虽然简单,但想法明确。他只研究了二十个人,结论主要依赖来自12人的结果。表1的六位成年男性属于三类血型(两位O 型、两位A型、两位B型),表2的六位成年女性也属于三类(一位O型、三位A型、两位B型)。这种数据在统计上也不典型。当然他说还做了10位,结果与此类似。应该做几十例、上百例,才能确定大概多少类。因为实验的简便性,只能推测他实验设计有欠缺,而没有花一、两个月的时间做几百例。
 
7.5 血型:从基础回应用
 
Landsteiner的样本量太少,只发现了ABO血型的 A、B和O。1902年,他的学生Adriano Sturli(1873-1964)与维也纳大学第二医学诊所的实习医生 Alfred von Decastello (1872-1960)合作研究了155 人(121位病人、34位常人),他们发现其中4人很特别,他们的血清和红细胞不互相凝集,其中任意一位的血清不凝集其他 154 人的红细胞,但他们的红细胞被所有这151人的血清所凝集(Decastello and Sturli, 1872-1960)。Decastello和Sturli 当时把这4人称为没有特别的型(no particular type)。 后人将AB血型的发现归功于他们,因为这4位应该是AB血型。他们还发现凝集素不会被疾病所改变,验证了6个月内的新生儿没有血型反应,这样完成了ABO血型的发现。
 
美国医生 Reuben Ottenberg (1882-1959) 从五个家庭的样本注意到同一家的血型相似性更高 (Epstein and Ottenberg,1908)。
 
在德国海德堡实验癌症研究所工作的医 生Emil von Dungern(1867-1961)和波兰科学家Ludwig Hirszfeld(1884-1954)分析了来自 72 个家庭的 348人(一般为两代),证明血型符合孟德尔遗传规律 (von Dungern and Hirszfeld,1910)。
 
von Dungern 和 Hirszfeld 指出,对血型来说,虽然血清所含抗体很重要,细胞的抗原也很重要。他们提出A和B独立遗传,它们为两个独立遗传的基因、分别有两个等位基因(A和a,B和b), A和B共显性而它们都对O型显性。
 
德国犹太数学家Felix Bernstein(1878-1956) 指出ABO血型由一个基因决定,A、B和O是同一个基因的三种等位基因,孩子从父母遗传有六种可能性基因型(A/A,A/O,B/B,B/O,A/B 和 O/O)和四种表型 (A,B,AB,O)(Bernstein,1924)。
 
按红细胞表达抗原的情况,ABO血型有四类:表达A抗原的红细胞,表达B抗原的红细胞,表达A抗原和B抗原的红细胞,既不表达A、也不表达B的O型红细胞。O型的红细胞不会被其他血型的血清所破坏,AB型的红细胞会被其他三 种血型的血清所含的抗A、抗B抗体所识别引起破坏,A 型的红细胞会被B型或O型血清所含抗A抗体所识别而引起破坏、但不会被AB或A型血所破坏,B型红细胞会被A型或O型血清所含抗B抗体而引起破坏、但不会被AB或B型血所破坏。
 
ABO血型的确定,应用意义很大,大于其对基础原理的意义。可以通过事先体外试验匹配血型,大大地提高输血的安全。早期还需要克服医生不用配血型,而直 接用需要血液的患者作为检测指标的办法:先给需要血液的患者慢速少量输血,问 问其反应,如果可以就多输,不行就停止。这种生物鉴定有一定的作用,但不可靠。
 
在多方推动下,体外配血型成为标准步骤。在有了临床简便可靠的检测血型方法
 
(Ottenberg,1911)、有了用柠檬酸抗凝血的办法(Lewinsohn,1915)而可以在体外长期保持血液之后,血库才成为可能,大规模输血得以推行。
 
这时,第一次世界大战开始了,输血救助了很多伤员。
 
现在全世界几万所医院每年进行数以百万至千万次输血,挽救了无数人的生命。
 
节选自饶毅:《生物学概念与途径》第七章
 
全书尚未出版
 
第七章全文见:http://www.raolab.org/upfile/file/20210602083632_143315_92485.pdf
 



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