在常溫機械灌注過程中，載氧載體對維持受體器官的生理代謝至關重要。目前常見載氧載體分為兩大類：人工載氧體和天然載氧體（如紅細胞）。人工載氧體（非細胞型），包括基于血紅蛋白的氧載體和全氟化碳，具有存儲時間長、無需交叉配型、來源豐富等優點，但它們可能引起血管收縮、腎毒性以及其他潛在的不良反應。相比之下，天然紅細胞在體內循環中的壽命較長且變形性良好，但其應用受到以下限制：（1）儲存時間短——紅細胞在4°C下的常規儲存期限僅為42天，導致血液資源的大量浪費；（2）交叉配型——紅細胞表面抗原的多樣性增加了異體和異種輸血的交叉配血風險；（3）機械損傷——在灌注過程中，紅細胞可能發生擠壓變形、扭曲和破碎，導致顯著的溶血；（4）血源稀缺——目前在大規模灌注過程中對血液的需求量巨大。為應對上述挑戰，開發一種通用、生物安全、易于擴展且高效的紅細胞工程技術以提升其常溫機器灌注和輸血效果具有重要意義。
生物仿生硅化技術通過在細胞內外的界面上形成納米硅質外骨骼，為脆弱的細胞提供了具有高機械強度、化學惰性和不可降解性的二氧化硅鎧甲，這種鎧甲賦予了細胞化學和熱穩定性，并顯著提升了其抵抗惡劣環境（如高溫、高濕、紫外等）的能力。在這領域，朱偉教授課題組開展了大量相關研究（參見 Nat. Rev. Bioeng. 2024, 2, 282；Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202406110；ACS Nano 2022, 16, 2164；Nat. Commun. 2022, 13, 6265；J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 17, 6305 等）。然而，通過精確控制硅酸的水解形式，以可控方式實現對紅細胞的改造及功能延拓的工作仍非常有限。
圖1. 紅細胞仿生硅化及功能示意圖。(a) 基于自然界硅藻外骨骼啟發的血紅細胞生物硅化以強化紅細胞結構和實現表面抗原屏蔽；(b) 生物硅化可賦予紅細胞幾大優勢：提升對外部環境抵抗能力、實現表面抗原屏蔽、實現萬能血構建及其用于同種異體或異種異體輸血。
硅化紅細胞具有以下優異性能：
圖2. 硅化紅細胞和原生紅細胞的環境抗性對比。 (a) 天然紅細胞和硅化紅細胞對惡劣環境的抵抗力示意圖；溶血毒素(b)和St?ber粒子(c)對紅細胞溶血的影響；(d) 低溫保存后的紅細胞冷凍回收效率。(e) 天然紅細胞、硅化紅細胞、Fe3+-TA 涂層紅細胞、多巴胺涂層紅細胞的硬度檢測。
圖3.硅化紅細胞對模型兔的免疫激活反應和臟器生化指標的影響。
圖4. 硅化紅細胞用于大鼠肝臟移植的常溫機械灌注（NMP）中的潛力。(a) 大鼠肝臟移植的常溫機械灌注示意圖；(b) 原生紅細胞和 (c)硅化紅細胞灌注肝臟的形態及其病理切片；肝臟灌注過程中的(d)門靜脈流量，(e) 氧壓，(f) pH，肝糖代謝水平：(g)乳酸水平和（h）葡萄糖水平，（i-m）NMP 期間的生化分析，包括肝功能，以及膽道功能和（m）膽汁分泌功能。
總之，在這項工作中，通過界面硅化他們首次實現了近100%的紅細胞冷凍保護，通過血型屏蔽克服了同種異體血型問題，并驗證了異種輸血的可能。由于技術簡單、可靠、易于擴展，并且具有良好的生物相容性，其未來有可能在臨床上展現出重大應用價值。
原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2322418121
