高中生物素材：血型与输血

血型与输血输血反应是典型的免疫反应。然而高中生物学选择性必修一未作详细介绍。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；EhrlichandLazarus,1898）。缺血、或缺乏血液的特定成分可导致人类疾病。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。在不懂免疫学之前，输血有很大危险。1901年，ABO血型的发现根本地改变了输血的安全性，在第一次世界大战开始成规模应用，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。一种传说是教皇无辜八世（PopeInnocentVIII,原名GiovanniBattistaCybo，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ChristopherWren（1632-1723）给狗注射过红酒和啤酒（Maluf,1954），1663年他和RobertBoyle(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RichardLower（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-BaptiseDenys（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GustafBonde（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EdmundKing（1630-1709）在皇家学会将⽺⾎输给ArthurCoga（LowerandKing，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AntoineMauroy，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。虽然⼗⼋世纪还有各种传闻和不完备的记载，包括EramusDarwin（1731-1802）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JosephPriestley（1733-1804）和法国的AntoineLavoisier（1743-1794）发现氧⽓及其功能，在此之后，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Ibnal-Nafis（1213-1288）到1628年英国的WilliamHarvey（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JamesBlundell（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。他实验了输⾎过程需要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年⾄1825年，他试过6例输⾎，都不成功。1825年，他与CharlesWaller(1802-1862)和EdwardDoubleday（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AdolfCreite（1847-1921）发表他的观察和实验结果。在法国ClaudeBernard（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-JonesandGardner，2002）。德国病理学家EmilePonfick（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LeonardLandois（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-JonesandGardner，2002）。1894年，在Koch研究所⼯作的RichardPfeiffer（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JulesBordet（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MaxvonGruber（1853-1927）发现抗⾎清对霍乱和伤寒杆菌的凝集作用（GruberandDurham，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”（EhrlichandMorgenroth，1899）。⽽且Ehrlich与JuliusMorgenroth（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：EhrlichandMorgenroth，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。血型的发现因为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KarlLandsteiner（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26种主要⾎型，⾄少270种不同红细胞表型，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、还是损失或细菌感染影响。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）。此注脚成为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EhrlichandMorgenroth（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。可见，Sturli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Sturli和L，但凝集Sturli和E；Sturli和E也互相不凝集，不凝集Sturli和L，但凝集Pletsching和Z。所以六位成年男性按红细胞凝集情况可以分成三组。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。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。JosefHalban（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的各种后果”。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，但他有创新性的想法。实验的操作也很简单，不需要实验⾼⼿。实验需要的时间也很短，⼀周做⼏⼗⼈恐怕很容易，⼀天做⼏⼗⼈也并非难事。说明：在⽣物学，有时候，想法也比技术、⼿段、努⼒要更重要。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？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。他只研究了⼆⼗⼏个⼈，结论主要依赖12⼈。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。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AdrianoSturli（1873-1964）与维也纳⼤学第⼆医学诊所的实习医⽣AlfredvonDecastello（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（DecastelloandSturli，1872-1960）。Decastello和Sturli当时把这4⼈称为没有特别的型（noparticulartype）。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ReubenOttenberg(1882-1959)从五个家庭的样本注意到同一家的血型相似性更高(EpsteinandOttenberg，1908)。在德国海德堡实验癌症研究所工作的医生EmilvonDungern（1867-1961）和波兰科学家LudwigHirszfeld（1884-1954）分析了来自72个家