[科普中國(guó)]-毒蛇、凝膠、激光筆……你確定是在討論傷口愈合嗎？

日本動(dòng)漫《工作細(xì)胞》里萌翻了的怪力蘿莉，擬人化的是我們?nèi)梭w血液中具有凝血作用的血小板。

當(dāng)血管受傷后，身體的第一反應(yīng)就是讓血管壁肌肉收縮，使受傷區(qū)域血液流速和流量降低。同時(shí)，血小板們接觸到破損處血管內(nèi)皮下的膠原蛋白，被迅速激活，快速地聚集到破損處，從圓盤(pán)狀變?yōu)榍蛐危⑿纬山z狀偽足。絲狀偽足像胳膊一樣，使得血小板可以彼此擁抱，凝成一團(tuán)， 形成血小板血栓 。

（左：《工作細(xì)胞》中擬人化的血小板

右：實(shí)際的血小板與血小板的激活｜John Weisel, PhD, Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania）

但血小板血栓僅僅是血管上的一個(gè)“臨時(shí)創(chuàng)口貼”，要真正完全止血，并為受損的組織提供修復(fù)時(shí)間，就需要經(jīng)歷一串復(fù)雜的生理過(guò)程，形成一道更加牢固的“墻”。

人體血液中含有十余種凝血因子，在受傷出血后，它們就會(huì)被依次激活，形成一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)鏈，這個(gè)過(guò)程中，出血的信號(hào)會(huì)被一步步放大，最終 激活血液中的凝血酶原變成凝血酶 。

在凝血酶的催化下，血液中原本 可溶性的纖維蛋白原轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢扇艿睦w維蛋白 ， 它們彼此連接，形成網(wǎng)狀，將血小板血栓和一些血細(xì)胞網(wǎng)羅其中，使血液失去流動(dòng)性，變成膠凍狀的凝塊，從而完成止血的核心步驟。

（凝血因子級(jí)聯(lián)反應(yīng)形成纖維蛋白網(wǎng) | http://igcse-biology-2017.blogspot.com/2017/06/264b-understand-how-platelets-are.html，作者漢化）

然而，當(dāng)出血量非常大時(shí)，單憑我們自己的凝血功能，沒(méi)有辦法在短時(shí)間聚集起大量的凝血酶和纖維蛋白到達(dá)出血部位。血液在瞬間大量流失可能危及生命，能否快速止血就是決定生死的關(guān)鍵，這時(shí)就要依靠一些藥物或者外科手段，來(lái)應(yīng)對(duì)大量出血。

利用毒蛇毒液提取物止血

毒蛇，在我們的印象中，可能是 海蛇、尖吻蝮、 眼鏡王蛇、 舟山眼鏡蛇 、明樓 這類可怖的生物。然而科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，雖然毒蛇的毒液中含有作用于神經(jīng)系統(tǒng)和血液系統(tǒng)的毒素，但其中一些有效成分可能也是類似凝血酶的救命“神器”。

早在1936年，科學(xué)家就從美洲矛頭蝮（ Bothrops jararaca ）的毒液中分離出了可以 促進(jìn)凝血的成分——血凝酶 。1937年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)多種蛇的毒液能讓血漿發(fā)生凝集，其中就包括來(lái)自矛頭腹蛇（ Bothrops atrox ）的毒液。1954年，一家瑞士制藥公司對(duì)矛頭蝮蛇的毒液進(jìn)行分離，從中提取出了具有凝血作用的爬蟲(chóng)酶（又稱巴曲酶）。

后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)， 爬蟲(chóng)酶的作用方式與人體中的凝血酶類似 ，可將纖維蛋白原轉(zhuǎn)化為纖維蛋白單體，進(jìn)而形成多聚化的纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)。

而后這種藥物，被廣泛地運(yùn)用到臨床當(dāng)中，既可以在手術(shù)前使用預(yù)防性地降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，也能在手術(shù)后使用幫助傷口止血。

（矛頭腹丨Wikimedia Commons, Alex Kwok / CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)）

凝膠閉合傷口，阻斷出血源頭

除了增強(qiáng)凝血，將開(kāi)放的傷口閉合也是防止血液大量流失的根本，而我們?nèi)梭w血液中的 組織粘合劑 就是發(fā)揮閉合傷口的作用的。顧名思義，粘合劑就像膠水，將其涂在傷患血管的破損處，它就像能把破損的地方重新封閉起來(lái)，從而達(dá)到止血的作用。

粘合劑可分為天然組織粘合劑和合成性組織粘合劑。天然的組織粘合劑因?yàn)榈投拘?、生物適應(yīng)性比較好而更受歡迎，多糖、膠原蛋白、白蛋白等都可以作為天然組織粘合劑的原料。但這些物質(zhì)也有一個(gè)很大的弱點(diǎn)——力學(xué)強(qiáng)度有限，尤其是在很濕的組織表面上粘附性很差。因此，當(dāng)天然組織粘合劑遇到大量出血，粘合效果就會(huì)大打折扣。

針對(duì)這種缺陷，2019年來(lái)自浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)組織黏合劑進(jìn)行改良，通過(guò)添加糖類增強(qiáng)了它的力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)加入具有光反應(yīng)性的基團(tuán)，制成甲基丙烯?；髂z（GelMA），將其和其他生物大分子混合做出水凝膠。這種材料不僅可以應(yīng)對(duì)出血量較大的情況，還可以 在紫外線的照射下，使明膠上的甲基丙烯?；焖偈譅渴?，形成凝膠，粘附在流血的血管上并把傷口封閉住 。

（紫外光激活，快速形成水凝膠 | 參考文獻(xiàn)[4]）

凝膠+蛇毒，止血效果up

使用GelMA技術(shù)，紫外線照射的一大問(wèn)題就是會(huì)造成DNA損傷和突變。如果僅用可見(jiàn)光就能激活粘合劑的交聯(lián)，那么不僅可以降低組織的損傷，還能提供細(xì)胞的成活率。

2021年7月，一項(xiàng)新研究發(fā)布在《科學(xué)進(jìn)展》中，研究人員在GelMA中加入了三乙醇胺、N-乙烯基己內(nèi)酰胺和伊紅Y，實(shí)現(xiàn)了在430~530 nm可見(jiàn)光的短暫照射下就讓GelMA發(fā)生交聯(lián)，形成凝膠，擴(kuò)大了這種組織粘合劑的應(yīng)用場(chǎng)景?？茖W(xué)家們稱，一只激光筆甚至是手機(jī)的手電就可以讓藥物迅速發(fā)揮作用，閉合傷口。

（430~530 nm可見(jiàn)光激光筆即可以激活HAD形成水凝膠 | 參考文獻(xiàn)[5]）

但是由于GelMA本身的止血效果較弱，對(duì)于嚴(yán)重出血的病例可能幫助非常有限，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，科學(xué)家們 受到了矛頭蝮蛇毒的啟發(fā)，向GelMA中加入爬蟲(chóng)酶 ，各取所長(zhǎng)，制成了這種既可以在可見(jiàn)光下迅速發(fā)生交聯(lián)，在傷口處形成物理屏障，又可以加速纖維蛋白網(wǎng)形成的全新止血粘合劑HAD。

研究中，科學(xué)家們對(duì)這款HAD進(jìn)行了全方位的測(cè)試。

在粘附強(qiáng)度測(cè)試中，它的粘附強(qiáng)度幾乎是市售組織粘合劑纖維蛋白膠水的10倍。體外的凝血測(cè)試中，科學(xué)家們使用沒(méi)有血小板的血漿，測(cè)試在沒(méi)有干預(yù)的條件下，血液凝固時(shí)間在5-6分鐘, 使用纖維蛋白膠水可大大降低凝固時(shí)間到約1分30秒，而使用這種最新型HAD粘合劑血液凝固只需約45秒。

在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)，科學(xué)家們使用了四種不同的出血模型，來(lái)模擬不同的受傷場(chǎng)景，并對(duì)出血量和凝血的時(shí)間進(jìn)行了測(cè)定。

（對(duì)HAD進(jìn)行在體測(cè)試的4個(gè)受傷場(chǎng)景 | 參考文獻(xiàn)[5]）

在所有模型中，HAD均可以顯著加速皮膚傷口的關(guān)閉，并在血管非常豐富的組織中，將失血量和凝血時(shí)間均降低約50%。

（多種方法處理皮膚切割傷的對(duì)比圖 | 參考文獻(xiàn)[5]）

根據(jù)電子顯微鏡對(duì)于傷口處的觀察，研究者提出了HAD發(fā)揮作用的模型：當(dāng)HAD的成膠前溶液與受傷組織接觸的時(shí)候，首先發(fā)生擴(kuò)散和滲透，與組織的界面充分接觸。在經(jīng)過(guò)光的激活后，HAD迅速多聚化，產(chǎn)生的多聚物與組織交織在一起，形成了互鎖結(jié)構(gòu)。

HAD中的GelMA促進(jìn)血小板和紅細(xì)胞的聚集和激活，與此同時(shí)其中的爬蟲(chóng)酶快速觸發(fā)纖維蛋白原向纖維蛋白的轉(zhuǎn)化。最后，血小板的絲狀偽足可以拉住纖維蛋白的纖維，并使其彎曲，產(chǎn)生張力，使得凝血塊收縮，形成力學(xué)上穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到完全止血。在整個(gè)過(guò)程中， GelMA和爬蟲(chóng)酶各司其職，又彼此協(xié)同 ，從而使HAD達(dá)到了極佳的止血效果。

HAD研究的負(fù)責(zé)人之一基布雷特·麥昆尼特（Kibret Mequanint）教授表示，下一步就是要將HAD這項(xiàng)研究成果轉(zhuǎn)化并推廣到臨床上。爬蟲(chóng)酶這款已經(jīng)在市場(chǎng)上存在了60余年的老藥，又要與GelMA合作共同作戰(zhàn)，應(yīng)對(duì)傷口出血。

或許不久后，我們就會(huì)在家庭急救箱中發(fā)現(xiàn)這款HAD凝膠的蹤影，當(dāng)然，旁邊還會(huì)搭配一只激活藥物開(kāi)關(guān)的激光筆。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.hog.org/handbook/section/1/understanding-how-blood-works

[2]https://zh.khanacademy.org/science/health-and-medicine/human-anatomy-and-physiology/introduction-to-hematologic/v/how-do-we-make-blood-clots

[3]Blomb?ck, B., Blomb?ck, M., & Nilsson, I. M. (1957). Coagulation studies on ?Reptilase”, an extract of the venom from Bothrops jararaca. Thrombosis and Haemostasis, 1(01), 076-086.

[4]Hong, Y., Zhou, F., Hua, Y., Zhang, X., Ni, C., Pan, D., ... & Ouyang, H. (2019). A strongly adhesive hemostatic hydrogel for the repair of arterial and heart bleeds. Nature communications, 10(1), 1-11.

[5]Guo, Y., Wang, Y., Zhao, X., Li, X., Wang, Q., Zhong, W., ... & Luo, G. (2021). Snake extract–laden hemostatic bioadhesive gel cross-linked by visible light. Science Advances, 7(29), eabf9635.