15秒止血!“寄生恶魔”藤壶显奇效,MIT赵选贺团队研制生物胶水

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BBC 纪录片《地球脉动》第六集《冰封世界》中有这样一副画面:在南极半岛的部分水面解冻后,便进入了捕捞季,不远万里游到这里的座头鲸,往往会疯狂捕食虾群,甚至是日夜不停地 “作业”,因为一旦海洋结冰它就无法觅食。 图 | 捕捞虾群时的座头鲸(来源:纪录片截图) 坐头鲸捕虾的动作非常猛烈,翻腾起很大的水浪,但即便是不分昼夜的翻腾,粘附在它表面的藤壶,依然稳立风浪之中。如下图,座头鲸身上和尾部的白点,正是藤壶本尊。 图 | 藤壶黏在坐鲸身上(来源:纪录片截图) 人们很早就注意到藤壶这种独特性,但此前研究很少将其用在止血上。据统计,出血过多导致了每年约 200 万人的死亡。那么是否可以控制出血? 当前,临床一般使用局部止血药物,其原理是让血液内凝固增速。但是假如血液凝固速度赶不上伤口流血速度,止血药的效果也会大打折扣。 基于此,科学家们已经发明出相关生物粘合剂,其原理是通过粘连密封出血组织来实现止血。但在当前的生物粘合剂中,往往需要施加长期稳定的压力,或者提供紫外线照射才能实现粘附,因此很难良好地用于临床。 图 | 粘附在贝壳上的藤壶(来源:Pixabay) 当地时间 8 月 9 日,一项新成果的诞生,意味着上述难题已得到攻克。 当天,麻省理工学院(MIT)机械工程系教授赵选贺团队,联合梅奥诊所的克里斯托夫 S. 纳布兹迪克(Christoph S. Nabzdyk)团队,在 Nature Biomedical Engineering 发表了题为《由藤壶胶启发的糊状物快速且不依赖凝固的止血密封》的论文。 图 | 相关论文(来源:Nature Biomedical Engineering) 该论文介绍了一种生物胶水,具备和藤壶胶样的类似特性,止血效果快速且牢固,而且不依赖体内凝血机制。 图 | 生物胶水图(来源:Nature Biomedical Engineering) 据悉,双面胶微粒和疏水油基质混合之后,能变成一种可注射糊剂,并和富含脂质以及粘合蛋白的藤壶,具有相似的功能。其中,疏水性油基质可起到排斥血液的作用,使生物粘合剂微粒相互作用,并与生物组织表面进行快速、牢固的交联。 图 | 从左到右:论文第一作者兼共同通讯作者陆贤宇、论文共同第一作者、以及共同通讯作者赵选贺 15 秒即可止血,它为什么这么强? 生物胶水的主要材料是壳聚糖、以及丙烯酸基生物黏合剂微粒,其中的 N-羟基琥珀酰亚胺酯承担着交联剂作用,它能提供牢固的生物粘附性,类似于藤壶的黏性蛋白。从外观形态来看,它是一种膏状物,可通过注射方式进入生物组织内。 图 | 生物胶水外观(来源:受访者) 图 | 生物胶水外观(来源:受访者) 研究中,吴晶晶和团队将这种材料的薄片冷冻,将其研磨成微粒,然后将这些颗粒悬浮在医用级硅油中。当把得到的糊状物涂在湿表面,比如覆盖有血液的组织上时,油就会排斥血液、以及其他可能存在的物质,从而使黏性微粒交联并在伤口上,并形成紧致的密封。 遇到血的时候,油能先把血液排斥开,环境就能变得更干净,这时生物粘合剂微粒与组织表面形成氢键发生快速的物理交联,轻压之后,生物粘合剂微粒中的 NHS 酯基与富含伯胺基的组织表面形成共价交联,从而到达牢固的粘附性。 其中,排斥交联机制起着重要作用,它可带来快速的止血能力,并且不依赖生物体内凝血系统的止血能力。 吴晶晶告诉 DeepTech,在大鼠模型的大面积快速喷血环境中使用该胶水时,首先要轻轻滴按压胶水,这时胶水中的硅油基质排斥和清洁组织表面的血液,从而让胶水中的生物粘合剂微粒与伤口组织 5 秒内形成氢键,产生快速物理交联,形成黏附。 为验证生物胶水的实际能力,

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在离体密封猪心脏组的血浴实验中,吴晶晶让生物黏合剂微粒和不同的基质材料组合使用,并分别测量了拉脱力大小。 结果发现,一旦给生物黏附微粒加上硅油基质,即可产生较高的拉脱力。这说明当生物黏附微粒和血液混合时,硅油基质可起到很好的保护作用。 吴晶晶指出,特别是在心脏和动脉等有喷射压的运动器官中,该胶水粘得又好又快。而在大鼠肝脏和心脏损伤模型上的实验中,她也评估了止血时间和失血量,实验证明该生物胶水在 5 秒内,即可对出血肝脏或心脏实现有效止血封堵。相比体内自发凝血系统 Surgicel 和市售止血剂 CoSeal,生物胶水止血效率更高。 生物降解性和生物相容性,和市售产品相当 吴晶晶表示,相比其他已被 FDA 批准的商用粘合剂,此次生物胶水的最大优势在于,在运动器官上可实现快速黏附。他们发现市售粘合剂在含有血液的高动脉压强环境中,往往不能立马起到粘附作用,止血能力更是难以企及。 而该生物胶水可在 15 秒内止血,假如将来真的遇到战争,大出血往往是造成死亡的主要原因。同时,缝合线通常用于缝合伤口,但缝合伤口是一个耗时的过程,急救人员通常无法在紧急情况下进行。这时,生物胶水就能起到救急作用,让伤员实现迅速止血。 图 | 生物胶水的止血能力(来源:Nature Biomedical Engineering) 但是,毕竟是直接进入生物组织内,光有粘附力还不够,还得具备生物降解性和生物相容性,才能说明这是一款好胶水。基于此,通过体外大鼠心肌细胞毒性实验和体内大鼠皮下移植模型来验证。 在生物降解性上,实验发现与对照组相比,该胶水对大鼠心肌细胞的体外细胞毒性相当。此外,吴晶晶还使用背侧皮下移植方法进行检测,结果显示该胶水引发的炎症十分轻微,与 FDA 已批准的生物粘合剂 CoSeal 的生物降解性相当。在三个月内,残留胶水可在体内完全代谢。 在生物相容性上,吴晶晶给免疫细胞 T 细胞染色后发现,胶水并未在体内引起较大排斥反应。具体来说,她和团队分别对 α- 平滑肌肌动蛋白(αSMA)、I 型胶原、以及与炎症反应相关的 T 细胞(CD3)和巨噬细胞(CD68)等成纤维细胞的标记物,做了免疫荧光强度分析,发现均未引起较大排斥反应,这一能力和 CoSeal 粘合剂的能力没有明显差异。 对于进入生物体内的 “异物”,是否会给止血修复后的器官造成额外损伤,也是该团队的关注重点。为此,吴晶晶又做了炎症和外源反应标记物的免疫荧光分析,她发现该生物胶水诱导出来的 CD3 和 CD68 表达远远低于体内自发凝血系统 Surgicel,并于市售止血剂 CoSeal 相当。 实验中对大鼠肝脏止血 14 天后,通过全血细胞计数和血液化学分析,她发现这只曾被止血的大鼠,其炎症相关血细胞和器官特异性疾病标志物,跟健康大鼠没有明显差异。这说明在器官愈合过程中,生物胶水并不会造成严重的器官损伤。 (来源:Nature Biomedical Engineering) 此外,他们还用生物胶水完成了大动物猪的肝脏止血修复模型。论文作者之一的克里斯托夫 S. 纳布兹迪克(Christoph S. Nabzdyk)表示,生物胶水可以在 15s 内对出血的猪肝脏损伤进行快速止血,且经过止血治疗的猪在四周内仍然存活,并未出现任何不良反应,而市售的 Tachosil 却在按压三分钟后仍不能完全止血,最后生物胶水拯救了这头猪并让其继续存活。 该研究的共同第一作者兼共同通讯作者、来自 MIT 的陆贤宇表示:“这非常有趣,因为要封闭出血组织,你不仅要跟体内的潮湿环境作斗争,还要对抗正在流出的血液。我们发现,这种生活在海洋环境中的生物正在做的事情,跟我们处理复杂出血问题时必须做的事情完全相同。” 他还表示:“我们认为这种糊状物可能有助于阻止严重出血,包括内脏和凝血障碍患者或血液稀释剂。这可能对照顾军事和平民创伤受害者有用。” 未来,该团队计划在较大的伤口上测试这款胶水,并希望探索它是否可用于治疗外伤。

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