Lecture++血液净化泌尿免疫系统的人工器官(II)

1、血液净化、泌尿、免疫系统的人工器官（II）人体最大的腺体和消化腺重12001500g，占体重1/401/50。人工肝两面两面 四个缘四个缘 脏面脏面 膈面膈面 肝左叶肝左叶 右叶右叶肝的解剖肝脏的血供：肝脏的血供：1/3肝动脉，肝动脉， 2/3门静脉门静脉肝脏的功能1.物质代谢：包括糖、脂、蛋白、维生素等。含600多种酶，新陈代谢最活跃的器官，复杂的生理功能（合成、转化、分解），完成通过酶介导的各种生理功能。2.分泌和排泄：胆汁（包括胆盐和胆红素）。3.参与凝血和抗凝血的调节4.免疫：吞噬、防御功能，产生Ig和补体；处理抗原、抗体；5.生物转化: 药物、毒物、激素等通过氧化、分解、结合方式清除

2、代谢过程中产生的和外来的毒素。6.在胚胎时期有造血功能。 肝脏再生功能：切除肝组织肝脏再生功能：切除肝组织 2/3恢复原状恢复原状肝脏功能障碍物质代谢障碍物质代谢障碍l低血糖l低蛋白血症l低钠血症l低钾血症胆汁分泌和排泄胆汁分泌和排泄障碍障碍 高胆红素血症 肝内胆汁淤积症 免疫免疫功能障碍功能障碍 凝血凝血障碍障碍：出血。：出血。生物转化功能障碍生物转化功能障碍l药物代谢障碍l毒物代谢障碍： 氨、胺、GABA等代谢障碍而引起肝性脑病。l激素灭活障碍肝功能衰竭肝功能不全（hepatic insufficiency) 各种病因肝细胞严重损害各种功能严重障碍肝功能衰竭（hepatic failure

3、) 肝功能不全的晚期阶段常伴有肝性脑病和肝性肾衰 人工肝脏是借助体外机械、化学或生物性装置，暂时及部分替代肝脏功能，从而协助治疗肝功能不全、肝衰竭或相关肝脏疾病的方法。人工肝目前根据其组成和性质主要可分为三类：1、非生物型，又称物理型，主要通过物理或机械的方法进行治疗，包括血浆置换（plasmaexchange,pe）、血浆胆红素、氨及药物灌流吸附（directhemoperfusion/plas-maabsorption，dhp/pa）、血液滤过（hf）等均属次类。2、生物型，将生物部分，如同种及异种肝细胞与合成材料相结合组成特定的装置，患者的血液或血浆通过该装置进行物质交换和解毒转化等。人

4、工肝分类3、混合型，由生物与非生物型结合组成的具有两者功能的人工肝支持系统。也有人认为，象血浆置换等方法，在去除有害物质的同时，补充了凝血因子等生物活性成分，可单独归为一类，即中间型或过渡型人工肝，但三型分类法可能更简明和被普遍认可。人工肝分类1950年Merrill首先用血液透析治疗肝衰；人工肝的研究始于20世纪50年代，1956年Sorrentino证明了新鲜肝组织匀浆能代谢酮体，巴比妥和氨，首次提出了“人工肝脏”的概念；1958年，Kiley首先报告出应用血液透析治疗肝功衰竭。50年代中期，日本杉浦光雄、坂本启介试制成简易人工肝历史60与70年代，有了微载体细胞培养法和毛细中空纤维肝细胞

5、反应器；1987年，Matsamura设计出最早的生物人工肝。血液透析（ HD）：利用半透膜使中、小分子物质借助浓度梯度弥散，从而清除血中毒物，能清除大量氨和有效地去除尿素、肌苷及无机磷酸盐等小分子物质，对中、大分子物质清除率较低。但对暴发型肝炎进入肝昏迷的病人效果不明显。故仅用于暴发性肝功能衰竭伴随肾功能不全的治疗血液滤过（ HF）：利用液体静压力差作为垮膜压，使血中毒物经膜滤除，对中分子量物质的清除较有效。血液透析滤过法（HDF ）：HD与 HF结合即 ；血液灌流（HP ）：活性炭血液灌流对中分子物质与蛋白质结合的物质清除率较高。肝功能衰竭病人血中的白细胞抑制因子，抑制肝细胞生长的细胞毒物

6、质以及芳香族氨基酸、酚、吲哚、短链脂肪酸均可被活性炭有效地吸附。血液灌流对活性碳的要求较高，需要具有良好的吸附性能和血液生物相容性，且机械强度要过关，能耐受热压灭菌等。 为较成熟的治疗手段，在物理性辅助装置中应用最广，除重症肝炎外，在急性中毒救治中亦列为首选。血浆置换（ PE&PP）：将含毒血液通过血浆分离器分离，弃血浆，代替以正常血浆回输或人血白蛋白等溶液。确切含义是血液吸附，即溶解在血液的物质被吸附到具有丰富表面积的固态物质上藉以从血液中清除毒物。血液灌流设备主要由血液灌注机，附件（动脉和静脉管路等）及血液灌流器组成。常用的灌流器常用的灌流器有两种：一类是活性炭，一类是合成树脂。血

7、液灌流血液灌流目前以血浆置换和血液灌注在国内外应用最多；它是采用血浆分离器将患者血浆从全血中分离并弃去，同时代之以新鲜冷冻血浆或人血白蛋白等溶液。这种方法在除去血液中胆红素、内毒素、细胞毒性因子等有害物质的同时，补充多种生物活性成分。血浆置换血浆置换的缺点是潜在的感染（目前检测手段未能检出发现的致病原等）、过敏、枸橼酸盐中毒、治疗后水钠潴留等。血浆胆红素吸附是将血浆分离器分离出的血浆，再经一特殊的吸附柱吸附去除部分胆红素等，尔后回到患者体内，主要用于单纯血浆胆红素升高，及不愿或不便使用异体血浆患者的退黄治疗。类似的吸附方法还有活性炭血氨及毒素吸附及直接血液灌流（吸附）等，不同主要在于吸附柱性质

8、及对目标吸附物的选择。血浆置换吸附柱人工肝血浆置换原理多孔膜材料制成空心纤维管型血浆分离器，配有自动控制装置，并能平稳调节置换液与弃血液的速度和比例，使患者的血容量和血流动力学保持稳定。大剂量血浆置换。相当于人体细胞外液即体重20的高容量血浆置换。消耗大量新鲜冷冻血浆，易发生人类免疫缺陷病毒（HIV）和肝炎病毒的经血传播。血浆置换（二）整体洗涤 这种方法首先对患者放血，同时快速输注白蛋白和电解质溶液，然后再输注新鲜血液。 生物人工肝是将同种或异种供体的全肝、肝组织片、肝细胞悬液、培养肝细胞、肝细胞微粒及特定的肝细胞酶等与生物合成材料相结合组装成某种形式的人工肝装置。生物型人工肝体外生物人工肝支

9、持系统（EBLSS）不仅具有肝特异性的解毒功能，而且具有更高的效能： 参与糖、蛋白质、脂肪三大物质代谢； 完成中间代谢，清除毒性物质及中间代谢产物； 具有生物合成转化功能； 分泌具有促进肝细胞生长活性的物质，如肝细胞 生长因子、肝脏刺激物质等体外生物人工肝支持系统（EBLSS）不仅具有肝特异性的解毒功能，而且具有更高的效能： 参与糖、蛋白质、脂肪三大物质代谢； 完成中间代谢，清除毒性物质及中间代谢产物； 具有生物合成转化功能； 分泌具有促进肝细胞生长活性的物质，如肝细胞 生长因子、肝脏刺激物质等 EBLSS的基本工作原理是将培养肝细胞置于体外循环装置，即生物反应器中，患者血液/血浆流过生物反应

10、器时，通过半透膜或直接接触的方式与培养肝细胞间进行物质交换，从而起到理想的人工肝支持作用。经过近十年的努力，肝细胞的分离、高密度培养以及生物反应器等EBLSS的关键技术已得到初步的解决。 生物型人工肝（二）生物人工肝的肝细胞培养 新分离的肝细胞在悬液中由于缺乏立体支架而难以维持其活性及功能，单层培养肝细胞在细胞的生物活性、存活时间及增殖能力方面均明显优于肝细胞悬液，缺点是单位面积细胞数较少，且不便随意取出。 微载体培养：新分离的肝细胞悬液加入经胶原被覆的葡聚糖微载体间隙振动，可使肝细胞粘附于微载体进行培养，通过为肝细胞提供立体支撑作用而维持良好的形态和功能，达到高密度、高活性、长期培养的目的。

11、使用阳性电荷培养瓶（皿）、聚羟乙基异丁酸被覆或使用激素定量培养液、旋转培养等，抑制肝细胞单层贴壁生长，促进其相互聚集成50200um的多细胞球形体，有明显的分化增殖能力，能长期维持正常的生物学功能，尤其具有取代方便的优点。中空纤维培养细胞法：数百根中空纤维的外侧空间播种肝细胞，中空纤维内灌流培养液，通过多孔质的中空纤维补充营养及氧分，以维持肝细胞生存。（三）生物人工肝的生物反应器 生物反应器是EBLSS中肝衰竭患者血液/血浆与肝细胞进行物质交换、发挥人工肝支持作用的关键部位。理想的生物反应器应为肝细胞提供较好的生存条件，并达到较好的物质交换。多孔空心纤维细管，平行排列于密闭箱内，形成管内腔和管

12、外腔，管壁半透膜（孔径0.2m）允许约10万道尔顿分子量以下的物质通过，而细胞及免疫球蛋白不能通过，起到免疫隔离作用。生物人工肝问世不久，很快发现它虽能较好地替代肝脏的解毒与生物合成功能，但肝衰竭患者体内积累的大量代谢产物及毒性物质难以在有限的交换中由培养肝细胞解毒，反过来还可能对培养肝细胞的存活及生物学功能产生不利影响。将早期偏重于解毒作用的人工肝支持方法与之相结合，组成混合型（或杂交型）生物人工肝，可使人工肝的生物合成转化功能及解毒作用更加完善。混合型生物人工肝血液灌流和血浆置换两种安全可靠、简便实用的方法，与培养肝细胞生物反应器一起成功构成了“三合一”混合生物人工肝支持系统。不仅辅以肝细

13、胞反应器保温、加氧等措施，而且配有血浆循环池和微机自动控制系统，提高了系统的实用效率和安全性能。混合型人工肝胰脏(pancreas)：一个大而细长的葡萄串状的腺体，横于胃后，居脾脏和十二指肠之间；其右端(胰头)较大、朝下，左端(胰尾)是横着的，尾部靠着脾，是人体一个重要的脏器。人工胰脏胰脏有两部分，一是胰腺，是外分泌腺，产生胰液；二是胰岛，胰岛就像大海中的岛屿，是胰脏内一堆又一堆的细胞构成的器官，胰岛是内分泌腺，产生胰岛素。所以，胰脏是人体内唯一的一个既是外分泌腺又是内分泌腺的腺体，一个特殊的脏器。胰的外分泌液或胰液经胰管输入十二指肠，其中含有各种消化酶。在胰内另有散在的岛状细胞团，称为胰岛或

14、Langerhans岛。胰岛的-细胞分泌胰岛素，起降低血糖，促进肝糖原的合成等作用。胰岛-细胞分泌胰高血糖素，可以促进肝糖原分解，使血糖升高。胰岛素和胰高血糖素互相反馈，控制血糖稳定在一个小的范围内。如果因为任何原因导致胰岛素绝对或相对不足，就会导致糖尿病。胰岛人工胰腺，也叫闭环式胰岛素泵系统闭环式胰岛素泵系统，由胰岛素泵、连续血糖监测装置（CGM）和微型电脑组成，并由智能程序控制的根据患者血糖水平自动调节胰岛素剂量的电子生化仪器系统。人工胰脏利用复杂的计算机算法，将现有的胰岛素泵疗法和实时连续血糖监测(CGM) 技术整合在一起，有助预防出现危险的或潜在地危机生命的低血糖情况，并预防由于高血糖

15、引起的并发症。CGM系统可以向胰岛素泵发送无线信号，如果CGM系统监测到血糖水平高，人工胰脏系统就会指令胰岛素泵增大胰岛素剂量；如果监测到血糖水平低，人工胰脏系统就会指令胰岛素泵停止供应胰岛素。人工胰腺系统将会使1型糖尿病患者受益。1型糖尿病是一种自身免疫性疾病，机体制造胰岛素的能力丧失。1型糖尿病患者必须通过注射方式或者使用胰岛素泵来补充胰岛素。但是，补充多少胰岛素非常难以确定。1型糖尿病患者必须随时监控体内血糖水平，确保不能过高或过低。而血糖水平受到多种因素影响，比如健身情况、疾病状况甚至压力大小。胰岛素泵是一个形状、大小如同BP机，通过一条与人体相连的软管向体内持续输注胰岛素的装置。它模

16、拟人体健康胰腺分泌胰岛素的生理模式。俗称人工胰腺”。内装有一个放短效胰岛素的储药器，外有一个显示屏及一些按钮，用于设置泵的程序，灵敏的驱动马达缓慢地推动胰岛素从储药器经输注导管进入皮下。输注导管长度不一，牢固地将泵与身体连接起来。胰岛素泵胰岛素泵胰岛素泵由泵、小注射器和与之相连的输液管组成。小注射器最多可以容纳3毫升的胰岛素，注射器装入泵中后，将相连的输液管前端的引导针用注针器扎入患者的皮下（常规为腹壁），再由电池驱动胰岛素泵的螺旋马达推动小注射器的活塞。将胰岛素输注到体内胰岛素泵的基本用途是模拟胰腺的分泌功能，按照人体需要的剂量将胰岛素持续地推注到使用者的皮下，保持全天血糖稳定，以达到控制糖

17、尿胰岛素泵 - 组成1. 以色列研究出人工胰脏；2. 法国首创人工胰脏移植；3. 人工胰脏在美国试用；4. 我国人工胰脏的研究处于起步阶段，但是效果卓然，已经研制出了新型闭环无创胰岛素泵集成系统。研究进展1979年 时代杂志人工胰腺可以随身携带1980年 AS-6C1980年开发闭环式胰岛素泵 不用于临床 用于药物研究1983年 AS6MP83年CPI1984年 有最大量限制的功能徳国第一代胰岛素泵西门子公司出品人工血液也称人工替代血液，是利用和血红蛋白相同的加工处理方法，维持血压不变，在扮演搬运各种物质角色的白蛋白中放入血红素分子，制成白蛋白血红素，这就是人工血液，严格来说只能取代人体血液携

18、带氧气的功能，并无法取代白血球的免疫功能与血小板的凝血功能。人工血液由日本早稻田大学、庆应大学和熊本大学研究小组成功开发出的可以大量生产和长期保存的人工血液，使用这种人工血液输血不必担心病毒感染和血型不符。动物实验显示，这种人工血液可把肺部呼吸的氧气输送到体内各个组织器官。迄今为止，大多数生产人工血液的尝试均以失败告终。19世纪，医生给病人静脉注射动物血、奶、油和其他液体，结果均未成功。甚至在1901年发现了人类的血型之后，医生们仍一直在寻找血液的替代品。第一次和第二次世界大战、肝炎以及人体免疫缺陷病毒（HIV）的发现，提高了人们对人工血液研究进展的关注。20世纪80和90年代，制药公司研发了

19、几种人工血液，但在人体试验中出现了心肌梗塞乃至死亡后，部分公司放弃了相关研究。某些早期制品还会导致毛细血管破裂以及血压飙升。但在进一步的研究中，人们发现了两大类血液替代品血红蛋白携氧血红蛋白携氧载体载体（HBOC）和全氟碳化物全氟碳化物（PFC）现在，已经有部分人工血液接近测试阶段的尾声，很快便可在医院应用。另有一些则已经开始应用。例如，被称为牛血红蛋白多聚（Hemopure）的HBOC类血液替代品目前正应用于受HIV威胁严重的南非。而在欧美，一种名为Oxygent的PFC类携氧载体已进入人体试验的后期阶段。2010年10月，在澳洲一妇女被用人工合成血液救活，尚属世界首例。1、人体血液由血浆、

20、红细胞、白细胞和血小板组成，成分非常复杂，要制造出一种完全代替血液的溶液非常困难，但研制一种临时替代品，在急需情况下能短时间内代替血液中某种成分的作用却是可行的。人工血液 - 组成制法2、人工血液的传统制造法是将过期红血球内的血红素抽出使用。早期直接用抽出的血红素试验，发现在注入血流中经数小时后就会分解成两个、次单位，然后很快地这些次单位会积存在肾脏，造成毒性；另一个问题是人工血红素如果不经过改造，虽然可以和氧结合，但释放氧到组织的能力不佳，结果也不得理想。3、人们通过这种试验就想到通过化学方法把两个、分子连结得更稳固些。4、这种产品对热很稳定，可用高热杀死病毒和其它感染病源，而且释放氧的功能

21、也很不错，同时这种经改造过的人工血红素还可以把适当的治疗药物用化学方法键合到人工血红素内。 5、最新的人工血红素制造原理是把血红素基因转植到细菌体内，利用细菌作为制造工厂，再进行大量复制。采用这种技术来生产血红素的优点是被转植到细菌体内的基因可以作局部的修改，使生产出来的血红素在稳定性和释氧能力等方面都能得到适当的调整人工血液1、血红素的分子量约为64500 dalton，主要存在于红血球中，由四个胜肽链所组成，分别为二个链与二个链，每一个链由141个氨基酸所组成，而链则为146个氨基酸所组成。每条链及链上皆有一个原血红素基与之相连，其中的亚铁离子（Fe2+）可以利用配位键的方式与一个氧分子结

22、合，能够可逆地行使携氧与释氧的功能，因此每一个血红素分子最多可以携带四个氧分子。人工血液 - 研究方向2、在人体内当红血球行经肺脏时，由于肺泡里的氧分压高达100毫米汞柱（mmHg），使得红血球里的每一血红素分子可以充分地携带氧气。当携氧的红血球行经人体的各部分组织或器官时，由于氧分压降至约40毫米汞柱，红血球里的血红素分子便将其所携带的氧分子释放出来，以参与附近细胞的新陈代谢作用。血红素与氧分子的亲和力，与红血球内的一重要分子（2,3-DPG）有相当密切的关系。经由纯化过程所取得的血红素溶液，由于红血球被打破，造成2,3-DPG分子的流失，导致血红素对氧的亲和力过高，而降低了其在人体组织或器

23、官中的释氧功能。因此若以血红素为基质来制备人工替代血液，必须对纯化出来的血红素溶液做适当的物理或化学修饰，以符合人体的生理要求。目前以血红素为基材发展的人工替代血液，大致可分为包覆型人工替代血液、基因重组型人工替代血液与聚合型人工替代血液等。a、包覆型人工替代血液：以磷脂质经由乳化技术将血红素包覆起来，形成直径约100200奈米大小的颗粒，如此可以避免血红素在体内被快速分解掉，增加其在人体血液循环中的半衰期，且在人体胶体渗透压的限制下，可以有正常的血红素浓度。在包覆过程中同时也把2,3-DPG分子包覆在磷脂质里面，以调控血红素分子对氧分子的亲和力。b、基因重组型人工替代血液：主要是利用基因技术

24、，将血红素的或链的基因转殖到大肠杆菌里面，由大肠杆菌来表现，制造出血红素分子。利用基因技术可以改变或链上某些特定的氨基酸，例如将链上第108个氨基酸，由原来的天门冬胺酸改变成离胺酸，可以使得血红素对氧的亲和力降低。c、聚合型人工替代血液：又可分为分子内部交联型血红素、分子与分子间交联型血红素与共轭交联型血红素。3、分子内部交联型血红素：血红素分子内部的交联可以用PLP（pyridoxyl 5-phosphate）分子代替2,3-DPG分子，做为修饰血红素对氧分子亲和力的交联剂。由于PLP和2,3-DPG对脱氧状态的血红素分子结合的位置相同，因此可以稳定其去氧结构，使血红素对氧的亲和力降低。这样

25、的分子内部交联也同时稳定了血红素的四聚体结构，避免在人体血液循环过程中被快速分解掉，因此可以改善血红素分子在人体内滞留的半衰期。4、分子与分子间交联型血红素：分子内部交联后的血红素分子，若进一步以另一交联剂将血红素分子与分子间交联起来，则可以有效地增加其在人体血液循环中的半衰期达六至七倍。目前较常用的交联剂为戊二醛。聚合血红素最重要的就是控制其分子量分布及适当的携氧能力，较适当的分子量大小约在20万40万dalton，以不超过50万dalton为佳，也就是相当于二至八个血红素分子聚合的大小。若聚合程度过高，则聚合后的血红素溶液黏度会过大，导致血液流变性质的改变。若血红素分子聚合程度过低，则无法

26、得到适当的携氧能力以及在人体内的适当半衰期。然而戊二醛与血红素分子进行的聚合反应很快，所制造出来的聚合血红素分子量分布往往相当广，容易造成许多过聚合的高分子聚合物。此外，戊二醛聚合血红素无法在储存及加热过程中维持稳定结构，容易释放出对人体有害的戊二醛分子，因此戊二醛并非制造聚合血红素最佳的交联剂。5、共轭交联型血红素：利用交联剂将血红素分子以共价键结的方式键结在水溶性高分子链上，目的除了增加血红素分子的体积以减缓血红素分子由肾丝球体漏出外，亦可避免血液中其它蛋白质的吸附，以降低人体免疫系统的攻击。人工血管是以尼龙、涤纶、聚四氟乙烯（PT-FE）等合成材料人工制造的血管代用品，适用于全身各处的血管转流术。人工血管人工血管血管的制造，国外的研究，近年来绝大多数是采取医用高分子材料进行编织。我国在50年代末，60年代初，才开始进行研究，起初是用尼龙(Nylon)织成，后因尼龙降解，在生体内植入后发生破裂而被淘汰。现在多采用涤纶(Dacron)纤维编织人工血管，己大量应用于临床，如治疗主动脉瘸，主动脉狭窄，上下腔静脉切除更换术等，最长可达37cm。目前用高分于材料由机器编织的人了血管，平