通过输血而在美国传播的艾滋病的发病率（许多人估计在过去的10年中，报道的至少有9000例）和对传染性肝炎的危险性的报怨已经使人怀疑是否能够安全地使用那些令人感到威胁的输血。血液代替物可以通过改造过时血液或合成制得，那些不由人类血液得到并可大量生产的产品可能成为最终解决使用效率和消毒问题的最好途径。

当一个病人大量失血后，可以使用高压液体（血浆大量扩散）或生理盐水来补充。但是，作为一种有效的血液代替物，它们缺少最关键的属性：载氧活性。没有它，病人甚至不能正常呼吸，因为氧气没有办法从肺到达需要它的组织中去。

作为人造血的代替物来说，制造一个比较小的化合物比制造血红蛋白遗传因子便宜和容易得多。期望使用像全氟化碳乳胶液等无血红蛋白的供氧代理品取得的成就非常有限。全氟化碳并不是自己运输氧，只是在乳胶液中可提高氧气在血液中的溶解性。当在正常空气（20%的氧）中呼吸时，由于乳化物的排泄和供氧不足，使得它们并不能成为非常有效的血液代替品。相反，它们可以用于捐献的器官，以便在移植手术前保证它们有充足的氧气。

目前制造有效的血液代替物的途径包括：通过基因重组修改血红蛋白，使它能够在红血细胞之外起作用或设计一个完全不同的氧气载体（最好比较简单）。监测载氧活力的有效性，血液代替物在循环中的保留，和在临床医学分析方法上的干扰是完善合理设计药物的一部分。

据布法罗的纽约州立大学的罗伯特 · 洛贝尔声明，天然血红蛋白自身的结构怎样影响它的载氧属性的问题到目前仍然不是十分明了。“直到现在，它仍然是未知数”，他说，“我们正试图得到许多关于氨基酸的表达知识和它们怎样影响血红蛋白和氧的亲和力”。他和来自6个不同学院的合作者们致力于研究当使用重组DNA技术使蛋白质中的某一个特定氨基酸序列被丙氨酸替换时导致蛋白质的基因修饰序列变化。丙氨酸有一非常小的中性支链，可以避免血红蛋白单体的整个立体结构扭曲，他解释道，但又足够大，可防止任何蛋白质旋转，例如，甘氨酸取代时而可旋转。研究组通过X-射线晶体测定仪观察在高氧、低氧亲和力条件下基因变化引起结构变化以及运用分光光度计进行氧气链合动力学来判断哪种氨基酸及位置对蛋白质功能影响最大。

分光光度计可以运用于监测血红蛋白动力学。因为当蛋白质氧气状况改变时，它的吸收光谱显著的在480~640纳米间发生变化。富氧、脱氧或功能失常的血红蛋白有着明显的光谱图像差异，可以用于计算氧气在血液和其他溶液中的饱和百分点。简单的分析病人血液样品的临床“血氧计”通过监测一定的波长来计算氧气饱和度。这些波长是根据每克分子氧合或非氧合血红蛋白具有一样的吸光度和这两种相差较大的种的克分子吸光率相差较大得到的。许多改进血氧计也能监测非正常功能血红蛋白的波长以及其它一些干扰，例如染色、混浊和变态的蛋白质的波长。

所有的氨基酸取代物都位于a、b单体之间的绞链界面地区，在这里a、b二聚体相互连接。洛贝尔声称这个接合点的构像变化同高氧、低氧程度有密切的联系。

除此之外，洛贝尔他们使用X-射线晶体分析作出结构上的阐明，解释以及完成了氧结合状态的吸收光度动力学分析。其他合作成员使用共振拉曼光谱评估改变每个单体血红素绞链结构中的氨基酸所造成的影响。在血红素-铁中心和周围残基键的伸缩频率随着单体之间界面的改变而变化。

合作者完成的另一个血红素分析是在特定单体中合成包含非氧键合金属取代卟啉的杂交血红蛋白分子。由于它们并不结合氧，因此，不活泼的单体维持名义上完整的四面体物理环境，因为它们没有协同效应。也就是说，个别具有血红素功能的单体的氧合动力学能够进行分光光度观察，这个方法可以帮助研究者去发现单体之间是怎样相互作用的。任何两个功能单体之间的关系也就能够通过代换不活泼的卟啉来研究。

标准的分光光度键合动力学的研究有助于判断在无细胞介质情况下一个修饰过的血红蛋白运载氧气的情况。但是，在一个活组织中测定氧气运载非常复杂，非侵入的方法包括使用脉冲血氧计，与手、脚及耳垂连接，可以在体内中测定毛细血管中的氧气。这些仪器被用于外科手术中，尽管它们遭受组织厚度的干扰，它们比传统的血氧计或普通的分光光度计先进，它在抽样后不需要任何措施保证血液充氧，然而，它们仅仅对于测定血管中的氧气有用，却不能测定组织中的，因为血红蛋白通常不为组织所接纳。微电极就被用于测定血管附近组织血液中的氧气浓度，但是这个方法需要电极和组织与周围氧气隔离。

为了测定活生物组织的氧气饱和状态，来自美国加利福尼亚州的圣地亚哥大学的马卡斯使用含钯卟啉化合物结合血浆蛋白作为一种氧气探针并且将它注射到一只活着的大鼠体内。大鼠皮组织很薄，而且血管和毛细血管可以直接在显微镜下观察。当分光光度计测试氧时，血液流动可以用摄像机监测到。当皮组织用一个脉冲氙气弧光灯照射时，钯-卟啉发光体在结合氧时发光熄灭。静脉氧气浓度仅仅依靠于磷光信号的时间特性，而不是发射强度。因此，该方法能测定微血管及组织中的氧气。它可以在动物实验中用于测定血液代替物的有效性。但是在评估人类实验者临床试验及在医学治疗中监测病人却并不是一件容易的事。

作为一种血液代替物，修改过的大多数血红蛋白，甚至给予良好氧气供应及适合的缓冲剂，仍然不尽人意。通常的，血红蛋白包含于红血细胞中，红血细胞同时也包括酶，可以在血红素被氧化时修复它的功能，在这些细胞之外，血红蛋白表现有很大区别：结合氧更紧密，而且更易被降解。

尽管制造单一单体或二聚体比整个血红蛋白四面体容易得多，在实验动物上的肾功能分析表明：较小的蛋白质在一次循环中被肾清除。因此，那些血液代替物将在几个小时内被重新输入。除开无效处理的问题，血红蛋白的大量清除给肾造成损坏的危险。为了防止过早清除或降解，血红蛋白产品必须很大而且稳定。许多药品公司试图聚合血红蛋白，但洛贝尔说，同使用遗传或化学方法将单体连接起来的血红蛋白相比，这类产品作为一种传氧运输者前景并非太乐观。

有些研究组通过修饰血红蛋白提高氧键合能力和停留时间，减小毒性。然而，马里兰大学的罗伯特认为这些修改过的Hb，会导致血小板和红血细胞聚合及从循环中移动出来。这将导致血液凝固以及大量出血。在许多实验动物死于这种影响之后，他开始提出体外模拟来审查毒性影响及评估添加剂，例如缓冲剂和抗疑血剂的安全性。

最新的一个发现是，在高浓度、胞外的血红蛋白好像可以导致血管的压缩——可以作为止血的正常生理结构。许多胞外血红蛋白的商业产品在临床试验中出问题，因为这种影响导致病人高血压，过度紧张。圣地亚哥加利福尼亚大学的肯姆认为这种血管收缩可能是由于血红蛋白键合NO（也称内导松弛基因）造成，它可以激活酶成为鸟甘酸环化酶，许多基因研究都期望设计一个血红蛋白，使氧气输送没有这种影响。

罗伯特说，在推荐的血液代替物中，高浓度的胞外血红蛋白也干扰许多监测体内影响的标准毒理学试验。“当我们将实验动物50%的血液用8 g/100 ml修饰的血红蛋白溶液代替”，他说 :“血浆部分电不导热。”许多心脏病患者，肝、肾功能病患者的功能测定是在高浓度游离血红蛋白受干扰的光度免疫分析。为了处理这些问题，他们用每个方法测量游离血红蛋白的干扰影响，作为一个集中功能的特定分析，选择影响最小的方法，并且稀释前面所说的样品。过程是繁杂、独立的，他说，“例如，激酶-MB（—种心脏酶）的免疫学分析受血红蛋白干扰最小，但胆红素酶（血红素的代谢物）的分析用任何仪器却完全无用。”

他注意到美国食物和药物检验署进行临床安全实验来评估修饰胞外血红蛋白的安全性以及它从实验者血浆中的清除。修饰过的胞外血红蛋白与从实验者红血细胞中分离出来的天然血红蛋白在分光谱及凝胶电泳属性上具有很大相似性。罗伯特说看起来完全有必要进行更多的工作。因为任何在向临床实验进展的血液代替物需要将出血影响减少到最小程度。然而，由于他们评估的胞外产品是用聚乙烯基团的化学修改，它可以通过空间排阻色谱法与自然血红蛋白区别开来。

洛贝尔说许多包含胞外血红蛋白血液代替物的问题，不能被任何单一血红蛋白结构所解决。许多人正探讨在一个模拟红血细胞包裹中的血红蛋白的胶囊产品，它可以防止侵蚀和外界危害。然而，洛贝尔说，那些质子和临界离子的穿透问题以及红血细胞膜中蛋白质的活泼传输，意味着更复杂血液代替物的设计。他说：“你并不想停止重新设计红血细胞”。四、五个制药公司正进行聚合或胶联血红蛋白产品的临床安全试验。

另外一些人正试图为器官和血液代替物设计更有效的全氟烷的化合物。而且少数研究者正探索使用非蛋白的氧气运输载体的可能性，例如人造血中含血红素的环糊精化合物。

无论这些方法是否有用，不危及安全的人类血液的工作仍然值得去做。另外一些分析问题，例如稳定性、纯度以及耐储时间也必须在任何人造血代替物进入市场之前解决，在这些观点中必须清醒地看到：随着新的血液代替物的研制和生产，需要发明新的分析手段。

[Analytical Chemistry，1995年1月]