血液質控人造血小板離我們還有多遠
日前，頂級生命科學期刊《Cell》發表了日本京都大學iPS細胞研究與應用中心Ito等人的研究“湍流激活血小板的生物發生使其體外制備達到臨床應用規模”（Turbulence Activates Platelet Biogenesis to Enable Clinical Scale Ex Vivo Production），引起輸血業界的高度關注。這項研究顯示人造血小板，準確地說，是使用誘導多能干細胞（Induced pluripotent stem cell，iPSC）制備血小板的“生產效率”初步達到了臨床實際應用的水平，這意味著，人造血小板開始從“實驗臺來到病床邊”。
一、人造血小板——現在和將來的巨大需求
血小板的直徑約2μm，形狀不規則，在血液中的數量約為100-300×109/L。血小板的功能是止血和加速凝血，其數量不足或功能缺陷可引起嚴重的出血，如白血病、惡性腫瘤化療、再生障礙性貧血等。這些疾病都可能需要輸注血小板治療。
一般我們說血液中的細胞成分主要有紅細胞、白細胞和血小板——好像最近有個卡通很流行，讓這幾種血液“工作細胞”有成為“網紅”的趨勢。但嚴格來說，這三種成分完全不一樣，白細胞是完整意義上的細胞：有包含遺傳信息的細胞核和復雜的細胞器；紅細胞是高度特化的類細胞形態，為了高效地完成輸送氧的職能，已放棄了細胞核；血小板則只是細胞的碎片——巨核細胞局部裂解形成的小塊胞質。
根據WHO的統計（2013年數據），高收入國家（人均國民收入12000美元以上）每千人口輸注血小板3.54單位（中位數）；中高收入國家（4000-12000美元）0.87單位；中低與低收入國家（1000-4000美元和1000美元以下）0.02單位?？梢钥闯觯瑢ρ“宓男枨蟾洕鐣l展水平正相關。我國（8250美元）正在從中高收入國家快速邁向高收入國家行列，按照前述水平計算，目前需要血小板約121.8萬單位/年；在不久的將來（2025年前后）可能需要495.6萬單位/年。而我國2016年血小板臨床供應總量是184.8萬單位?？梢钥闯?，我國的臨床血小板供應將面臨越來越大的壓力，在人口老齡化日益嚴重的情況下更是如此。
二、人造血小板的來源——不死的iPSC
如果血小板能人工制造，臨床需求與供應的矛盾自然就迎刃而解。那么制造血小板的“原料”從何而來呢？前面說過，血小板來自于巨核細胞的胞質碎片，巨核細胞則來自于造血干細胞的分化。但造血干細胞的獲得較難（可以了解一下造血干細胞捐獻），體外培養不易，很難擴增。因此，研究者們紛紛把目光轉向近十年來的研究熱點——iPSC。
2007年，日本科學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）和美國科學家Thompson分別成功地將人成纖維細胞“改造”（重編程）成多能干細胞。也就是說，使已經分化成熟的細胞發生“躍遷”，回到較原始的狀態，重新獲得了分化成不同成熟細胞的功能。
iPSC一經誕生便成為生命科學領域的超級明星，成為再生醫學研究熱點。從iPSC可以分化得到血小板的祖先細胞——巨核細胞（Megakaraocyte，MK）。目前，研究人員已經建立了永生的巨核細胞系，可源源不斷地提供血小板的“母體”（Matrix）。
iPSC臨床應用的最大阻礙之一，就是經iPS細胞分化產生的成熟細胞中還混雜著原始iPSC，從而有遠期致瘤的風險。然而，這一阻礙在血小板的制造中卻并不是大問題，因為人們可以用輻照的方法清除人造血小板中的原始細胞。那么血小板難道不怕輻照么？沒錯，因為血小板是無核的，或者說，它并非真正的活細胞，所以不怕輻照。
使用iPSC可制備出永生的細胞系，持續提供血小板的來源，其增值潛能不受Hayflick限制的約束（Hayflick限制指的是體外培養的細胞在分裂復制50-70次以后，由于端粒的丟失縮短而逐漸失去增殖能力）。iPSC制備血小板的另一個優勢是可以對血小板進行“基因改造”。比如有研究者將iPSC來源的MK的β2-微球蛋白基因敲除，使其不再表達人主要組織相容性抗原HLA，從而產生了“萬能血小板”。
三、人造血小板的生產——蠶繭中的生物工廠
有了人造血小板的原料——來自iPSC的MK細胞系，那么具體如何制造了血小板呢？最有效的是模擬人體骨髓血小板造血的生理過程，這需要對血小板的生理發生過程進行直接、實時的觀察，了解細胞和分子層面的微觀生命活動。而近年來活體顯微成像技術解決了這一難題。通過對骨髓造血的直接觀察，人們了解了血小板生理發生的細節。
在巨核細胞遷移至血管壁的內皮細胞層后，巨核細胞的胞質突起（血小板前體）從內皮細胞間隙伸入血管腔，在血流的沖擊（剪切力）下，胞質突起脫落、裂解形成血小板。如下圖所示：
根據以上研究，人們認為，在血小板的生理產生過程中起作用的因素主要包括：
血管，一個中空的管道，血流通過并產生剪切應力；
血管壁的內皮細胞層，提供一個具有硬度的交界面；
細胞因子（Cytokine），趨化作用，使巨核細胞聚集于血管內皮細胞層外；
細胞外基質成分（ECM），支持巨核細胞的發育；
巨核細胞（MK），血小板的母體細胞。
于是，研究者用人工材料（絲織海綿）做成了包含上述條件的血小板造血3D仿生構造，看起來很像一個蠶繭中的生物工廠。
四、人造血小板的數量與效率——湍流的秘密
解決人造血小板的另一個關鍵問題是生產效率。實際上，人造紅細胞正是因為效率源不能滿足臨床輸注需求，離實際應用仍然遙遠。人造血小板也始終面臨這一難題。即使應用了上述的各種條件，如剪切應力、各種可溶性因子、細胞外基質及其硬度等，生物制備的血小板數量離實際臨床應用的要求仍然存在很大差距。
臨床上一個治療量的單采血小板約含2-3×1011個血小板，也就是2000-3000億個血小板。在人體生理造血過程中，骨髓造血干細胞產生的每個MK可生成超過2000個血小板，而在之前少數幾個“大規模”制備人造血小板的研究中，每個iPSC平均可產生16個MK，而每個MK可產生約30個血小板。不難看出，iPSC制備血小板的效率遠不如正常的人體骨髓造血。
在前人研究的基礎上，Ito等開發了各種不同的微流體血小板生物發生器。他們發現，湍流可以刺激培養中的MK分泌一些可溶性因子，包括胰島素因子結合蛋白2（IGFBP）、巨噬細胞遷移抑制因子（MIF）和苯乙肼裂解酶（NRDC），這些因子促進體外培養中血小板的脫落，從而大大提高了體外血小板制備的數量。研究者依次使用0.3L、2.4L到8L容量的生物反應器，最終成功制備了1-1.3×1011個血小板，并且在體外和體內實驗中都顯示了類似于捐獻血小板的正常功能。
這一研究首次將體外制備的血小板數量達到了實際臨床應用水平，具有里程碑式的意義。正想本文開始所說，人造血小板終于可能從實驗室走到病房。
五、前景美好——但挑戰依然存在
iPSC制備血小板的研究成果顯示了光明的應用前景，為人造血液的研究注射了一支強心針。或許在不久的將來，人造血液將大大緩解日趨緊張的血小板供應壓力。
但是，挑戰依然存在。
首先，與“天然”的捐獻血小板相比，iPSC制備的血小板的大小、形態、活性和體外存活時間存在高度不均一性，尚不符合目前高度標準化的血小板制品管理及臨床應用要求；
其次，iPSC制備血小板的整個過程需要26天，難以解決臨床緊急用血需求；
最后，iPSC制備血小板的成本可能要遠高于捐獻血小板，這也是一個不容忽視的問題。
現階段，為了滿足臨床病患的用血需求，最最重要的仍然是：
無償獻血，定期獻血。
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