探寻血型与输血的奥秘

　　因严重失血所导致的死亡一直是全球面临的重大公共卫生问题之一[1]。2023年世界卫生组织统计，全球每年因创伤导致死亡的案例达440万例，占总死亡人数的8%[2]。因此，为保障患者生命安全，"快、准"的输血前血型检测对实现及时输血至关重要。

　　不安全的输血操作会导致输血不良反应和感染性疾病的传播。一组输血不良反应数据显示[3]，每10万份因血型检测不匹配导致的严重不良反应事件达12.2例。此外，血液病、烧伤等疾病的高发，也对血型检测提出更高要求。及时有效的血液输注是挽救病人的前提，而快速、准确的血型检测是输血治疗的关键[4]。那就让我们一起来探索血型与输血的奥秘吧！

血型知多少？

　　在发现血型前，人类走过了一段曲折的道路。一开始，人类以为红色的血液都是一样的，甚至认为人和动物的血可以通用。颇具探索精神的法国医生试图将绵羊的血输给病人，这是人类历史上有文字记载的第一次输血，结果当然没有成功，病人死亡了。直到奥地利的科学家，被称为血型之父的卡尔-兰德斯坦纳（Karl Landsteiner）发现"小明"的红细胞（红细胞）/血清和"小红"的血清/红细胞可以发生团聚（图1），且这种凝集存在固定的规律。1900年，他提出ABC血型系统，也就是我们现在ABO血型的前身。这一发现，改写了输血历史，在1930年Landsteiner获得了诺贝尔医学或者生理学奖。

图1 血型反应原理

　　按照Landsteiner的发现，研究者们根据红细胞表面所携带的抗原进行血型判读，以最常见的ABO血型为例，当红细胞表面存在A抗原则为A型，存在B抗原则为B型，以此类推（图2）。

图2. ABO血型判读规则

　　那么如何进行血型检测呢？《甄嬛传》里面一个经典的"滴血认亲"片段，想必大家还历历在目。当然滴血认亲是毫无科学依据的。但其中想利用凝集原理来做亲子鉴定，却与我们的血型检测类似。下面就给大家分享一下血型检测技术那些事。

临床怎么测血型？

　　目前，临床血型检测技术也是传统的血型检测技术，主要有玻片法、微孔板法、试管法和微柱凝胶法等（表1），主要原理是通过观察特异性抗原抗体反应后红细胞的凝集情况。玻片法操作简单、快速，常用于输血相容性检测初筛中。试管法和微柱凝胶法作为临床标准方法，相较于玻片法其检测更灵敏、结果更可靠。但对操作人员的专业性要求较高，肉眼难以对弱凝集样本实现快速识别。常规的血清学技术对抗原或抗体减弱、血浆蛋白异常、弱凝集等复杂ABO 样本的鉴定存在一定的局限性。

　　随着生物技术的迭代发展，研究者们建立了用于ABO血型的基因分型技术，如DNA 测序、下一代测序、微阵列技术等。其中，微阵列技术可以同时鉴定不同血型系统的等位基因，允许对多个血型系统进行基因分型，可实现高通量自动化检测。基因分型克服了血清学的局限，成为解决疑难血型不可或缺的技术，但是其耗时、高成本的弊端限制了其在紧急输血场景下的应用。无法满足户外紧急救援或医疗资源匮乏的环境下检测的需求。

新型血型检测技术

　　随着输血前检测技术的不断更新迭代，我们不再只是依赖过去那种在液体里进行的检测方法，更创新性地采用固相上的检测方式。同时，检测工具也从需要大型离心设备的复杂设备，变得更加轻便、便携。现在，一些新型的血型检测技术，比如微流控和纸基微流控等（详情请点击阅读原文），都取得了很大的进步，为输血前的血型快速检测提供了更多方便的选择。

　　基于传统微流控的血型检测技术

　　近年来，微流控技术相当热门。我们利用微流控技术，只需要很少的血液样本，就可以快速、大量地进行血型检测。而且，这种技术还能帮助我们更准确地控制血液的流动，减少人工操作，避免污染。经过前文的介绍，大家都知道在血型检测中，是通过观察红细胞在流道内的凝集效应进行血液分型判断。但与液相检测不同，微流体中对全血样本的控制尤为关键，即微流控中的"控"。在这个过程中，遇到过很多问题，比如在常见的T型毛细管中容易出现样本逆流现象，这就可能导致血型鉴定试验中，血液在检测过程中停下来，使得血液里的抗原和抗体反应减弱，影响检测结果。此外，红细胞的凝集效应容易堵塞微流道，也会导致检测结果的不准确。

　　科学家们发现，如果对流体施加额外的驱动力帮助其在流道内的流动，上述难题就迎刃而解。在血型检测中，微流体中对全血样本的控制主要分为压力驱动、微泵、离心力驱动等。例如，一种数字微流控液滴凝集评估检测方法[5]通过增加电势来操纵电极阵列上的纳米至微米级液滴（图3左）。该方法对于提高检测灵敏度，改善弱凝集识别困难也非常有意义。使用者使用自动化系统和便携式仪器来收集、处理和测量标本，通过对60份血液样本的血型进行测试，显示ABO和稀有血型的检测准确率均达100%，适合应用于急诊创伤患者的血型检测。然而，这些方法制备液滴的过程十分复杂且依赖昂贵的仪器设备，因此开发便携式血型检测技术仍存在挑战。一种基于聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）的手指驱动型微流控智能血型测定仪[6]为这个问题提供了巧妙的解决方式，手指产生驱动力非常简单，却可以防止因凝集模式分析错误导致的错检，有助于血型的准确鉴定（图3右）。该装置与其他血液交叉匹配测试同步检测可以有效防止溶血性不良反应。

图3 基于传统微流控的血型检测技术。（左）基于数字微流控液滴凝集血型检测设备[7]；（右）基于 PDMS的手指驱动型微流控智能血型测定仪[6]。

　　基于纸基微流控的血型检测技术

　　在微流控的基础上，科学家们慧眼识珠，发现纸纤维具有生物可降解性、生物相容性好、低成本、易于制造的优势，在即时检测（POCT）等方面具有巨大的潜力。纸具有多孔结构，孔径尺寸在5~50微米之间，将该特性与其特有的毛细作用相结合，能够自动过滤全血中体积大于纸孔径的物质。例如，当红细胞直径小于纸的孔径时，红细胞能顺利从纸上通过，当红细胞直径大于纸的孔径时，红细胞会被拦截在纸上，从而实现红细胞与血浆的分离[7]。然而纸的孔径越小，血浆流动速度越慢，且随着被拦截的红细胞增多，纸上小孔被不断堵塞，阻止了血浆的进一步通过。在此基础上，利用纸的多孔结构储存抗体辅助血浆分离。抗体能够促进血液中红细胞聚集，聚集后的细胞群体积大，可被孔径较大的纸拦截，血浆在大孔径的纸中流动速度更快，且细胞群被拦截在纸上的同时不会完全堵塞小孔，保证血浆向下游流动。一经实验，果然纸基纤维使用更少的血液样品就能固定凝集的血细胞，并具有较高的准确性和重复性。

　　由于微流控纸基分析装置（µPAD）具有通过毛细作用或芯吸作用输送流体的天然能力，无需外部泵或电源，目前已开发多种2D和3D µPAD应用于输血前血型检测[8]。2007年，科学家[9]首次提出了用于定量和多重分析的2D µPAD。他们使用光刻胶图案化的纸基创建样本通道和比色检测区，能够在没有动力设备的情况下实现流体操控，随后进行生化反应。但2D µPAD在复杂流体操作上具有局限性。随后，研究者又发现通过对纸基的弯曲、折叠等操作，可以实现2D到3D结构的转换，从而建立起不同纸基层之间的流道连接[10]。例如，一种用于比色检测血型的3D µPAD[11]通过计算血液经过不同通道的层数来判断血型（图4左），该方法可在2~3 min内检测出血型结果，具有价格低廉、携带方便、重现性好的优势，适用于户外场景下输血前的血型检测。

　　然而，在纸基上也同样存在弱凝集难以识别的问题。这是为什么呢？因为血液样品通过纸纤维网络时，分子扩散和孵育时间受限，影响了红细胞和抗体之间的免疫相互作用，这使得我们难以区分弱凝集样本。一种基于二维码的快速可靠的血型识别方法[12]致力于解决这个问题，它不仅可在30 s内同时识别ABO和Rh血型系统（图4右），还进一步设计了一种颜色校正模型和算法，消除了扫描角度和环境光强度的潜在误差，从而可以准确地识别弱凝集样本，为临床输血前血型的诊断提供了新的策略[12]。

图4 基于新型纸基微流控的血型检测技术。（左）用于比色检测血型的3D µPAD[11]；（右）基于纸基二维码的快速血型识别技术[12]。

展  望

　　有时能在电视剧里看到，父母给自己的孩子输血，到底对不对呢？在了解了上述科普知识，您或许可以尝试作出自己的判断。

　　事实上无论是否是直系亲属，输血前都必须经过严格的输血前检测，而不是靠着编剧的想象！同时医生一般是不建议父母给孩子输血的，因为主要直系亲属之间有一半组织相关抗原相同，当亲生父母给孩子输血后，容易引发输血相关性移植物抗宿主疾病，导致组织、器官以及造血系统受损。这就是我们为什么要一直追求更快更准的血型检测技术。现在包括血型在内的输血前检测必须依靠采集血液完成，这对部分患者而言，频繁的采血或许也存在一定的痛苦。随着科技进步，医疗技术的发展，对汗液、皮肤间质液等生物样本的深入研究，将为无创检测提供更多可能。

　　参考文献

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　　[2] Davenport R, Curry N, Fox E E, et al. Early and empirical high-dose cryoprecipitate for hemorrhage after traumatic injury: the CRYOSTAT-2 randomized clinical trial. JAMA, 2023, 330(19): 1882-1891

　　[3] Carson J L, Brooks M M, Hébert P C, et al. Restrictive or liberal transfusion strategy in myocardial infarction and anemia. N Engl J Med, 2023, 389(26): 2446-2456

　　[4] Franchini M, Focosi D, Zaffanello M, et al. Efficacy and safety of tranexamic acid in acute haemorrhage. BMJ, 2024, 384: e075720

　　[5] Sklavounos A A, Lamanna J, Modi D, et al. Digital microfluidic hemagglutination assays for blood typing, donor compatibility testing, and hematocrit analysis. Clin Chem, 2021, 67(12): 1699-1708

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　　[8] Ebrahimi Fana S, Paknejad M, Aminian M. Paper based analytical devices for blood grouping: a comprehensive review. Biomed Microdevices, 2021, 23(3): 34

　　[9] Martinez A W, Phillips S T, Butte M J, et al. Patterned paper as a platform for inexpensive, low-volume, portable bioassays. Angew Chem Int Ed, 2007, 46(8): 1318-1320

　　[10] 张洪,袁睿, 罗阳.纸基微流控在检验医学中的应用与挑战. 中华检验医学杂志, 2019, 42(10): 813-820

　　[11] Ardakani F, Shojaeifard Z, Hemmateenejad B. Point-of-need determination of blood typing using a three-dimensional origami microfluidic paper based analytical device. Microchem J, 2022, 181: 107796

　　[12] Zhang H, Liu R, Li Q, et al. Flipped quick-response code enables reliable blood grouping. ACS Nano, 2021, 15(4): 7649-7658

　　作者简介

　　李平云：重庆医科大学硕士研究生，从事生物分子快速检测研究。

　　张洪：山东大学第二医院博士后，长期围绕生物分子快速检测开展研究。

　　罗阳：重庆大学医学院教授，研究方向为疾病早期监测预警，主要包括POCT血型快速检测、CRISPR-Cas系统超敏检测技术、胞外囊泡（EVs）高效分离与原位检测技术以及新型纳米医学诊断技术。

（作者：李平云、张洪、罗阳）

（本文来源于公众号：生物化学与生物物理进展）