为了寻找安全有效的红细胞代用品，研究者们困惑了100多年。理想红细胞代用品的特点应该是无配伍禁忌，可长期和简单储存，没有病原体的污染，能增加氧运输，半衰期长，扩容，毒性低和价格合理。红细胞代用品发展至今，主要分为两类，以血红蛋白为基础的HBOC类和以氟碳化合物为基础的PFC类，2种类型的红细胞代用品都取得了一定程度的成功。一些临床试验已经证明，在心脏和非心脏手术中使用红细胞代用品可以避免或减少异体输血。在外伤患者中，红细胞代用品的作用仍有待确定。

在红细胞代用品研究和临床试验过程中，研究者们也发现了未预料到的理论性和技术性问题。这些问题的出现既给研究带来了新挑战，同时也推动了血液代用品整个行业的发展，更新研究观念，将替代红细胞输血逐渐转向缺氧性疾病的治疗。今后，针对紧急情况和限制性使用的人工氧载体以及具有明确临床适应证的HBOC将是红细胞代用品领域的主要研究方向。

Amberson是血液代用品研究的早期倡导者之一。1936年他对临床需要红细胞代用品做了阐述：血液是不能完全替代的。然而，生物学家和生理学家面临得不到正常血液的情况比医师更常见，血液替代品就成为实验室最迫切的需求之一。由于19世纪初全血输注试验的失败，从牛、山羊或人类中提取的奶是用作血液代用品的首选替代物质之一。牛奶输血的好处是可以延长受伤者的生存时间，输入牛奶也可用于治疗多伦多霍乱患者。然而，由于严重的全身性反应，牛奶最终被盐水取代。

早期尝试开发的HBOC产品包括无基质的血红蛋白溶液，通过简单的红细胞裂解及滤过基质碎片制成。这些早期的HBOC制剂主要包括未经修饰的血红蛋白四聚体，然而它们被非血红蛋白红细胞成分和膜碎片严重污染。HBOC输入动物和人体后，未修饰的血红蛋白四聚体经过稀释迅速分解成二聚体并经肾脏排出。HBOC早期产品相关的肾毒性研究表明，天然四聚体血红蛋白确实需要修饰和稳定结构。这鼓舞了科学家进一步研究发展低毒性HBOC。通过修饰结构最大限度地减少毒性，例如，血红蛋白与二聚物的化学交联，以维持四聚体的组合；血红蛋白四聚体的表面修饰和大分子质量分子的交联；四聚体血红蛋白经聚合和交联产生多聚血红蛋白分子；各种血红蛋白制剂的脂质体包埋；分子内部共价交联的重组血红蛋白基因技术等。虽然这些产品还没有被批准大规模使用，但Ⅱ期和Ⅲ期临床试验已经完成，估计一种或几种HBOC产品很快可以进入临床。事实上，曾有一种产品在南非被批准用于临床过，但是后来在2009年，南非出于对该产品的安全顾虑等原因，不再使用。

促进这些产品持续研制的因素包括：①经输血传播性疾病的发病率；②献血者不断减少；③越来越多与输血相关疾病的发病率和病死率的证据；④手术治疗的需求不断上升，如经常需要输入红细胞的冠状动脉搭桥术。对于急性失血患者的治疗，包括那些经历创伤和接受外科手术治疗的患者，一种安全和有效的HBOC具有很重要的意义。

寻找红细胞携氧特性的替代品的时间几乎和输血历史一样长。HBOC是一组有趣的化合物，可以增加组织的氧输送，能降低红细胞输注。每个产品都有其自身的局限性和优势。大量临床前期研究和临床研究已经证明了潜在的目标人群、有效性和不良反应，以及学院和管理机构未来研究方向。希望在不久的将来，一种安全和有效的HBOC可以在临床使用。

HBOC按来源可分为过期人血和胎盘血中提取的HBOC、动物血中提取的HBOC（牛、猪、海蚯蚓等）、微生物提取的HBOC（大肠杆菌）以及基因重组技术来源的HBOC。人血来源的HBOC无免疫原性，可以大量多次输入而不引起补体激活，但来源毕竟有限及操作程序复杂等因素，难以大规模生产。猪血红蛋白虽然资源丰富、成本低廉，但由于宗教信仰因素无法在全世界推广。目前国内外主要以牛血为原料在进行研究，牛血与人血红蛋白的同源性大于85%、氧解离曲线与人血红蛋白相似、无需2，3－DPG类似物的修饰即可达到很高的P50值（血红蛋白氧饱和度为50%时的氧分压）、释氧能力强、结构更稳定。另外，基因重组技术的发展为人造血液提供了有效的方法。血红蛋白基因工程产品性能稳定，不易污染且易保存。在微生物中表达的血红蛋白，产量较低，并且存在分离等困难而限制了其应用。在动物上表达血红蛋白，如鼠和猪等均获得成功，但伦理观念、人畜病毒交叉感染和异源性蛋白等问题限制了该领域发展。

血液中的血红蛋白不能直接作为红细胞代用品，因此，血红蛋白必须经过化学修饰和聚合才能成为红细胞代用品。HBOC按结构可分为化学修饰血红蛋白、微囊化血红蛋白。其中血红蛋白的化学修饰有分子内修饰、分子间或分子外修饰和分子内与分子间的双重修饰三种方法，其中分子内修饰的特点是不提高分子质量，在多肽链中插入特殊的化学交联剂，避免天然血红蛋白降解；另两种化学修饰主要是形成血红蛋白分子聚合物，以提高血红蛋白半衰期，从而防止血红蛋白四聚体的快速解离。经微囊化技术的血红蛋白有：脂质包埋化血红蛋白（LEH）和纳米材料包囊血红蛋白。微囊化是一种超薄球形聚合物膜，膜内可将多肽或蛋白固定化，形成与人体细胞相似的一种“人工细胞”，膜很薄（约0．5μm），可通过小分子物质，而大分子蛋白不能通过，并且该膜不易被人体免疫系统识别。脂质包埋化血红蛋白表面带有负电荷且体积比红细胞小，易导致血沉减慢、凝血功能下降，另一方面，脂质包埋化血红蛋白也易造成巨噬细胞吞噬饱和而引起机体免疫功能受损。因此，目前的研究热点转向为可降解的纳米材料包囊血红蛋白。具体HBOC分类及研究现状详见表8－1。

此外，如果按HBOC功能不同大致可以分为三代，第一代为化学修饰血红蛋白，如磷酸吡哆醛等修饰的血红蛋白，只具有携带和释放氧气功能；第二代为包含红细胞酶类的交联血红蛋白，不但具有携氧功能，还具备一定的抗氧化、清除自由基的功能；第三代则是通过在第二代的基础上交联碳酸酐酶而具备运输二氧化碳的能力。

HBOC的理化性质与天然红细胞截然不同，不同种类的HBOC有不同的理化性质。这些理化性质包括分子粒径、氧亲和力、黏度、胶体渗透压和半衰期等。HBOC没有变形性，若粒径较大（＞10μm），则易造成血管阻塞，不利于到达缺氧组织；但若其粒径过小（10μm），就会被肾小球快速滤过或由血管内漏出至组织间隙，引起肾毒性或高血压等副作用。目前认为HBOC的粒径在一定范围内降低将更有助于其发挥治疗效果。P50值过高则意味着其携氧能力有限，可能无法满足缺氧组织的需求；HBOC的P50在0．67～1．33kPa（5～ 10mmHg）更为合适，此时其释氧曲线更接近天然红细胞。黏度是维持血管壁剪切力和血管直径的重要因素，同时还影响内皮细胞功能以及红细胞的聚集、变形性。目前认为HBOC的黏度应大于血浆黏度。胶体渗透压是维持血液与组织间液分布与平衡的主要因素，胶体渗透压过低会导致血浆外渗，引起组织水肿，但目前尚未明确高胶体渗透压的安全性，因此一般认为HBOC的胶体渗透压至少应不低于人血正常值。半衰期过短不利于氧释放，限制药效学特性的发挥，同时其快速分解后的产物会加剧患者体内代谢负担；而半衰期太长，由于代谢较慢，可能会引起蓄积，对机体也会造成不利影响。这些指标值究竟如何才能更安全、有效，目前还无定论。

前面提到了所有HBOC都可以携带氧气，但是，不同种类的HBOC向不同特性的组织输送氧气的能力是不同的。影响HBOC携氧特性的因素包括血红蛋白的种类和类型、使用的交联技术、HBOC分子大小和对氧亲和力的大小等。此外，正常红细胞内血红蛋白和HBOC中游离血红蛋白有明显不同。正常红细胞血红蛋白是以协同方式携氧，即随着更多的氧结合位点被占据，氧的亲和力增加，如S形氧合血红蛋白解离曲线。大多数HBOC是以非协同方式携带氧气。不同HBOC产品的P50值（8～38mmHg）与正常人血红蛋白的P50值（26mmHg）有很大差异。不过由于HBOC产品的携氧特征各不相同，对HBOC来说绝对的P50值可能并不重要，更重要的是它的氧合血红蛋白解离曲线是否向左或向右移动。HBOC的最佳氧亲和力还未明确。不过有实验已证明可以在以下几种情况体现HBOC的携氧效果：①顶部加载实验，把一个少量的HBOC加到现有的循环血液里；②等容血液交换或血液稀释，抽出血液的同时输入相同体积HBOC；③血液正常的携带氧气能力减少时，例如在缺氧或出血后，输注HBOC。

1）血液稀释：HBOC血液稀释的血流动力学特点，包括：平均动脉压增加，外周血管阻力增加和血容量增加；肺动脉压增加；心脏指数改变；功能性毛细血管密度不变或改善。对不同的心血管指标，这些血流动力学变化可能有相反的结果。例如，由于血容量增加和血管收缩，中心静脉压增加，预计心脏指数将增加。然而，实验和临床研究表明，HBOC应用于血液稀释后，心排血量往往变化不大。HBOC通过与一氧化氮结合或其他机制引起血管收缩，肺血管和全身血管阻力增加，从而使可能增加的心排血量减少。尽管可能影响心脏指数，HBOC向组织输送氧的能力仍然得到提高。一些HBOC血液稀释的实验研究表明，相对于其他不太重要的器官，可能优先考虑对大脑和心脏灌注，其他器官的血流可能会受到影响。

2）失血性休克复苏：在失血性休克中用不同HBOC复苏，有可能恢复平均动脉血压，提高组织血流量，毛细血管密度和组织氧分压。这些有利于改变碱不足，减少无氧代谢和乳酸生成，并降低急性病死率。HBOC复苏可以恢复脑血流和脑组织氧分压。有研究者认为，可能因为氧气输送和冠状动脉血管收缩之间达到了更好平衡，小容量的HBOC复苏比大容量能更好的恢复心外膜组织的氧分压。不过由于HBOC组患者的病死率较高，有一项临床研究被过早停止，因此必须谨慎理解这些积极的实验结果。在用HBOC抢救低血容量性休克患者前，需要进一步的实验数据来评价HBOC对失血性休克患者复苏的价值。

3）感染性休克复苏：感染性休克的特征是严重的血管扩张和全身性低血压。因此，应该从增加血管收缩和改善氧气输送压力，恢复血流动力学的角度来治疗这些患者。HBOC能够把氧气输送到组织，同时促进全身血管明显收缩。因此，对于氧代谢改变和全身血管阻力降低的感染性休克的患者，理论上输注HBOC可能会有所帮助。但是HBOC可能会加重内毒素介导的细胞损伤，这对内毒素水平升高的手术患者可能有影响。因此，使用HBOC治疗感染性休克时也必须谨慎，并且需要进一步的实验数据支持。

由过期的人类血液制成的第一代吡醇羟乙酯聚合血红蛋白。多聚血红蛋白作为一种血液替代品，主要用来解决患者在无法获得异体血的情况下能得以存活的问题，最初在越南战争后用于军事医学，后来在军事和民用方面显示出巨大的潜力。

多聚血红蛋白的Ⅱ期临床试验数据表明多聚血红蛋白可安全的用于急性失血，似乎是一种临床上有用的HBOC。有研究者将20单位的多聚血红蛋白输入因宗教原因而不愿意输注异体红细胞的手术患者体内，结果显示多聚血红蛋白不仅可以维持总的血红蛋白水平（红细胞的血红蛋白＋多聚血红蛋白），血浆血红蛋白增加（39±13）g／L（约为总血红蛋白的40%），与对照组相比24小时内库存血的需要量明显下降，30天的病死率也明显下降，在应用中除总胆红素稍有增加外，未发现其他明显不良反应。另一项Ⅲ期临床试验研究是美国创伤中心进行的院前HBOC试验，包括了29家城市一级创伤中心共714例患者，采用知情同意弃权的方式。结果显示多聚血红蛋白治疗与标准治疗方式相比，患者30天病死率、多器官功能衰竭发生率以及不良事件发生率方面无显著差异。

尽管多聚血红蛋白试验结果比较满意，但2009 年5月，美国FDA拒绝批准多聚血红蛋白上市。同年6月，Northfield Laboratories申请破产，多聚血红蛋白的研究终止了进程。

HBOC－201是一种聚合的牛血红蛋白产品（Hemopure），在血管内半衰期为8～23小时，室温下保质期为36个月。该产品与所有的血型相容，不携带传染性病原体，无污染。

HBOC－201在1998年通过FDA在兽医使用方面的验证。2001年南非批准HBOC－201用于治疗急性贫血的成年人手术，意在减少输注异体红细胞的需求。HBOC－201的Ⅱ期和Ⅲ期临床试验表明应用HBOC－201可避免或减少某些患者围手术期的异体输血，成功替代人红细胞，选择性用于心脏、主动脉、肝脏等手术。这些试验反映了一个合乎逻辑进展的研究设计，扩大了HBOC－201的应用范围及安全剂量。2003年，美国海军医学研究中心开展“恢复休克患者的有效生存”研究，然而由于HBOC－201可能会增加脑卒中和心肌梗死的风险，2006年美国FDA的血制品咨询委员会投票反对美国海军进行的HBOC－201后期临床试验。至此，HBOC－201的Ⅲ期临床试验被搁置。2009年Biopure公司申请破产，同年南非不再使用HBOC－201。

在动物试验中Hemospan能显著改善微循环血流和组织氧合，同时对失血性休克的治疗有效。Hemospan目前正在美国和欧洲进行临床试验。其中Ⅰ期和Ⅱ期临床试验表明在骨科手术、髋关节置换手术和前列腺癌根治术患者使用Hemospan是安全的，并且不增加血管阻力。另外，2008年5月，由6个国家共同完成了Hemospan的Ⅲ期临床试验，评价骨科手术患者在椎管内麻醉时应用Hemospan治疗，结果表明Hemospan在术中和术后早期阶段预防低血压方面优于HES　130／0．4氯化钠溶液，且未发现明显的安全性问题。

其他HBOC产品有Hemesol、rHb（重组血红蛋白）、PHP（pyfidoxalated hemoglobin polyoxyethylene，PHP）等。rHb是采用基因重组技术从大肠杆菌制备而成。它的显著优势是可通过生产获得，无限供应。并且在猪的失血模型研究中发现，与异体血一样，使用rHb进行液体复苏时，可以维持足够的有效循环血量和组织氧合。虽然rHb看似很有前途，在临床前研究显示出乐观的效果，但很遗憾没有进行后续研究。Hemesol由加拿大Hemesol公司生产，在2000年完成了Ⅱ期临床试验，但后因公司破产，该研究也因此而终止。至于PHP，它是由德国Apex Bioscience公司研发生产，Ⅰ期和Ⅱ期临床试验表明，PHP具有恢复正常血流动力学的潜能，减少血管活性药的使用，并具有很好的耐受性，临床观察中未见明显的副作用。目前正在进行Ⅲ期临床试验。

如果要评估HBOC潜在的毒性，必须对每个产品进行谨慎独立的评估。某一特定的产品表现出的生理，药理和毒理效应并不一定是所有HBOC都具有的。

输注HBOC产品常见的副作用是全身血管收缩导致患者血压升高，研究发现这与一氧化氮的消耗有关，通过封闭血红蛋白上的一氧化氮结合位点可以大大改善这一问题。此外，HBOC的直接血管活性作用与它们的分子质量呈负相关，这表明小分子的HBOC血管收缩作用更强。游离的血红蛋白可导致肾小球滤过过多的血红蛋白二聚体，从而引起肾小管阻塞，导致急性肾小管坏死。目前处于Ⅲ期临床的聚合、交联血红蛋白已经解决了这一副作用。尽管在动物模型及青年志愿者没有发现明显长期肾脏副作用，但对肾脏功能已有所减退的老年人，其作用是否仍为轻度的短暂性损害，这点值得进一步探讨。

炎症反应是HBOC产品的另一个明显副作用，表现为发热、多器官功能异常、肝功能损害、黄疸、胰腺炎，可能是游离血红蛋白封闭了肝脾单核－吞噬细胞系统，激活细菌内毒素所致。另外，神经毒性方面，还有待进一步的研究。目前涉及这类物质的大多数临床试验已经停止或由于与之相关的不良反应被迫终止。尽管目前配方导致的严重不良反应似乎较少，但是人们对HBOC副作用的担忧仍然存在，包括血管活性（血管收缩、高血压、心脏的影响）、高凝状态（血小板聚集）、胃肠道反应（恶心、呕吐、腹泻、腹胀）以及血浆中高浓度的血红蛋白干扰实验室检验分析等。

PFC是一类完全由化学合成的、气体溶解能力高、黏度低、具有生物惰性的氟碳化合物，分子质量为450～500Da，与水几乎不相容，必须先经过乳化才能静脉输注。PFC能溶解大量氧气，有液态氧之称。进入体内后能迅速进入单核－吞噬细胞系统内缓慢分解，然后再一次分布至血液，最后通过肺内呼气排出体外。

1996年有两位研究者用实验证明自主呼吸的小鼠在常压下可以淹没于PFC液体中存活，从此开创了PFC作为呼吸载体的医学研究。

第一代PFC产品是Fluosol DA，由日本某公司研发，其组成是14%的全氟萘烷，6%的全氟三丙胺，添加了表面活性剂，如蛋黄磷脂和油酸钾。曾由美国FDA审批上市，作为血液代用品用于冠状动脉成形术后冠状动脉灌流，但后来由于其在室温保存不稳定，携氧效率差，及表面活性物质引起的不良反应，如活化血小板、发热、改变血流动力学等，于1993年FDA撤销了该产品的批准。第一代PFC产品还有俄罗斯的Peftoran和我国的一号、二号全氟碳乳剂，用6%全氟甲基哌啶取代全氟萘烷。

第二代PFC研究关注的是如何提高携氧能力和降低毒性，使用纳米乳剂，代表产品有美国研发的Oxygent，配方中有58%的潘氟隆和2%的1－溴全氟癸烷。2002年结束的Ⅲ期临床试验显示，其适应证是一般的择期手术，如整形外科手术，妇科手术等，可以快速扩充血容量，减少输血需求，而在美国的另一项Ⅲ期临床试验却因Oxygent显著增加患者的脑卒中风险而被迫终止研究。另外，美国公司研发的Oxyfluor含有76%的线性化合物——全氟－1，8－二氯辛烷，作为注射携氧剂已进入临床前研究。欧洲研发了Fluxon，PFC含量为20%～40%的全氟萘烷乳剂，室温下保存可近一年。虽然PFC存在一定副作用，很多产品已被迫退出血液市场，但有关研究还在不断深入。

PFC最大的优势在于它的生产不依赖任何来源的血液，免于交叉感染，可直接化学合成并大量生产，并且成本低、保质期长，适合任何血型。对于因某些宗教信仰而不愿意接受输血的患者来说，这也是不错的选择。有一项试验研究整形外科手术患者实施ANH时PFC的作用，结果发现PFC氧结合度为100%，比自体输血更有效，但该结果并未说明PFC可以减少输异体血。另外，在治疗急性出血和贫血，及心肺旁路手术、急性心肌缺血和心肌梗死等患者中应用PFC产品有一定的作用，PFC改善微循环的作用受到了重视，因此有研究者认为PFC可能成为一种较好的红细胞代用品。

人们对于红细胞代用品的研究向来都持非常谨慎的态度，因此也非常关注PFC产品的安全性。研究已经发现该产品也有一些缺点和副作用，例如，PFC只是一种氧气溶解剂，患者使用时需要吸入70%～100%浓度的氧气才能提供足够的氧气溶解；高浓度使用时容易出现血液黏度升高等问题。输入PFC时会出现短暂的流感样症状，如寒战、发热、头痛、恶心等，这可能与PFC乳剂的微粒被巨噬细胞吞噬有关。使用PFC3天后会出现血小板数量轻度下降，这可能是由于PFC乳剂影响了血小板表面，从而引起血小板过度清除，因此，血小板减少的患者慎用PFC。