2017年11月18日 星期六

有關血型的兩三事

血型是輸血科學的根基。要安全地為病人輸血,我們就必須對血型有深入的認識。史丹福今次將跟大家分享幾個有關血型的有趣冷知識。

在化驗室中進行的ABO血型檢驗
血型其實是紅血球表面的抗原,它是抗體的目標。我們熟知的ABO是臨床上最重要的血型系統。但其實ABO只是其中一個系統,人類的紅血球上還有其他的血液系統,如恆河猴(Rhesus)系統、KellKiddDuffyMNS系統等。它們每個系統都有不同的抗原,而免疫系統也可以針對這些抗原去製造不同的抗體。

這些血型抗原可以是蛋白質或糖。例如我們再熟知的ABO抗原就是一種寡糖(oligosaccharide)。A型血型的基因會製造出酶去為H抗原(也是一種寡糖,它是A及B抗原的先驅)加上N-乙酰半乳糖胺(N-acetylgalactosamine),而B型血型的基因會製造出酶去為H抗原加上半乳糖(galactose)。這個小小的化學轉變已經足以令免疫系統產生截然不同的反應,經過A型血型的酶改造的H抗原就是A抗原,經過B型血型的酶改造的H抗原就是B抗原。

血型可以後天改變嗎?

血液疾病的病人做了異體骨髓移植(allogeneic bone marrow transplant)後,骨髓中的造血細胞已經不再是自己原本的細胞了,製造出來的紅血球自然可以有與原先不同的血型,這是非常合理及容易理解的。但除了骨髓移植之外,原來後天的疾病也可以改變病人的血型。

就以我們最熟悉的ABO血液系統為例子,有些患有腸癌病人或腸塞的紅血球可以突然多了B抗原,這樣A型病人就可以變成AB型,這個現象叫做「後天B」(acquired B)。為什麼會這樣呢?原來腸臟的細菌有一種特別的酶,可以把A抗原上的N-乙酰半乳糖胺轉化為半乳糖胺(galactosaine),這與B抗原上的半乳糖很相似,在血型檢驗的時候,就可能會驗到病人的血型突然多了一個B

又例如有些白血病的病人會失去了他的AB抗原,變成O型。這是因為白血病病人的造血細胞有基因突變,如果這些突變影響到AB抗原的基因,病人就可以失去他原有的血型。

除了ABO血液系統外,有一些血型系統,例如LewisIi血型系統,是會隨年紀轉變。大部分新生的小孩都是Lewis(a- b-)i血型的,但隨著時間的流逝,他們會漸漸變成Lewis(a+ b-)(a- b+)I血型。

演化出來抵抗瘧疾的血型

瘧疾是人類史上歷史最悠久的傳染病之一,它會感染肝臟細胞及紅血球,引起頭痛、發燒、發冷、溶血性貧血,嚴重的可能會影響腦部,出現痙攣,甚至死亡。


被瘧疾原蟲感染的紅血球
人類已經與它已苦戰數以萬年。雙方都各施各法,施展渾身解數。人類為了對抗它,演變出多種不同的基因,把自己的紅血球變了又變,改了又改,甚至連血型都用上了。非洲人為了抵抗瘧疾,演化出非常罕見的血型──Duffy a- b-

Duffy抗原是紅血球表面上的蛋白質,瘧疾原蟲卻「騎劫」了它,利用它去幫助自己走進紅血球內,感染紅血球。為了抵抗瘧疾,非洲人乾脆連自己的血型都換掉了。透過自然選擇(natural selection)的機制,非洲人種演化出一種完全沒有Duffy抗原的血型,也就是Duffy a- b-

這種血型很有效,曾經一度令到Plasmodium vivax這種盛行的瘧疾原蟲在中非及西非接近消失。奈何,道高一尺,魔高一丈。瘧疾也是不容小覷的,它們也演化出自己的強化版──Plasmodium falciparum。這個品種的瘧疾原蟲不需要Duffy抗原的幫助也可以輕易進入紅血球,而且可以很快感染大量的紅血球。

人類瘧疾雙方互有攻守,非洲人之後又演化出鐮刀型紅血球貧血症(sickle cell anaemia)的基因。帶有這個基因的人可以減少Plasmodium falciparum的入侵。

但這場人類與瘧疾的交戰真把血庫醫生累慘了。非洲人有好多都有Duffy a- b-及鐮刀型紅血球貧血症的基因,試想想,當一位來自非洲的鐮刀型紅血球貧血症而且有Duffy a- b-的病人需要輸血時,血庫醫生很難找到脗合的血給病人,因為Duffy a- b-血型在亞洲人中非常罕見。

Duffy a- b-(即Fy (a-b-))血型病人的血型檢查報告

那可以找病人的親屬來捐血嗎?可惜病人的親屬很大機會都有鐮刀型紅血球貧血症的基因,所以不能捐血給病人。那找其他的非洲人捐血可以嗎?這個方法未嘗不可,但卻有其限制。因為為了防止瘧疾傳播,所有在近期去過瘧疾流行地區的人都不可以捐血。但非洲卻是瘧疾流行地區,所以除非有非洲人長期住在香港,沒有回過老家,沒有回鄉探過親,這樣他才可以去捐血。所以一見到Duffy a- b-血型的病人,血庫醫生就會頭痛了。

與恆河猴一點關係都沒有的恆河猴血型系統

1939年,一位懷孕女士胎死腹中,而這為婦女需要輸血,所以醫生為她輸入ABO相容的血,但病人竟然出現了嚴重的溶血反應。醫生其後發現這位女士的血清中有一種特別的抗體,會引起她丈夫血紅球的凝集(agglutination),但她與她丈夫的血液卻是ABO相容的。

1930年諾貝爾生理學及醫學獎得主,發現ABO血型的「血型之父」Karl Landsteiner與他的助手Alexander Wiener就曾經試過把恆河猴的紅血球的注射進兔子及天竺鼠中,這些動物製造出一種抗體。之前提及過的懷孕女士,她的抗體被認為與這些動物的抗體是相同的,所以人們就把這個新發現的血型抗體及其對應的抗原稱為恆河猴(Rhesus,簡稱Rh)血型系統。

但這真是個天大的歷史冤案!後來人們發現那位懷孕女士的抗體與兔子及天竺鼠製造的抗體是兩種不同的抗體。但奈何這個名字沿用以久,於是那個與恆河猴一點關係都沒有的血型就繼續被稱為恆河猴血型。而那個真正在恆河猴紅血球上的「恆河猴血型」今天被稱為Landsteiner-Wiener血型。

除了ABO血型系統外,恆河猴血型系統是臨床上最重要的一個血型系統,其中又以RhD最為重要。大家平常聽見的「A+血」、「O-血」,當中的+-就是指RhD的狀態。

RhD之所以重要,是因為它的抗體可以引起很強的免疫反應,做成溶血性貧血,而且更麻煩的問題是懷孕媽媽的anti-D抗體(對抗RhD的抗體)可以穿過胎盤,引起腹中孩子的初生兒溶血性貧血(haemolytic disease of newborn)。這是因為anti-D抗體大多是體積較小的IgGABO血型系統的抗體則是體積較大的IgM

RhD陽性的人不會產生anti-D抗體,RhD陰性的人則有可能會製造anti-D抗體。但有別於ABO血型系統的抗體,anti-D抗體並不會自然產生,一般RhD陰性的人並不會有anti-D抗體,他們必須要接觸過RhD陽性的紅血球,免疫系統才會製造anti-D抗體,這個過程被稱為同種免疫(alloimmunization)。

RhD陰性的病人出現同種免疫的情況包括接受了RhD陽性的血液製品的輸血,或者RhD陰性女士懷有一個RhD陽性血型的小孩而小孩的血液又進入了孕婦體內。所以為了避免初生兒溶血性貧血,醫生會用盡一切方法去防止年輕女士有RhD同種免疫。血庫醫生會盡量避免讓他們接受RhD陽性的血液製品;婦產科則可以使用一種叫RhoGam的藥物,令RhD陰性孕婦的免疫系統認不到RhD抗原,那麼即使小孩的血液進入孕婦體內,也不會引起同種免疫。

「偽O血型」

1952年,醫生為兩位病人(其中一位是個鐵道工人,另一位是個被刺傷的傷者)交叉配血(crossmatch)時發生了一件很奇怪的事。交叉配血是指在化驗室裡把病人的血清與捐贈者的血液混合,檢測有沒有反應;如果沒有反應,即兩者的血是相容的,那麼輸血就是安全的。但這兩位病人與超過160個捐贈者做了交叉配血,竟然沒有一個是相容的!最後,經過千辛萬苦,醫生終於找到了一位來自孟買的捐贈者與病人的血液相容。醫生後來就把這種特別的血液稱為「孟買血型」(Bombay blood group)。

在當時,孟買血型是非常神秘的。經過了幾十年的研究,我們已經慢慢了解到它的特性與機制。這個血型有一個非常有趣的特性,它會令病人出現「偽O型」。假如一個病人有AB或者AB型血的基因,但他又有孟買血型,那麼做血型測試的時候,血型就會「看似」是O型。

為什麼會這樣呢?我們之前介紹過,紅血球上的AB抗原都是由H抗原經過酶的作用改造出來的。但孟買血型的人缺少了製造H抗原的酶,所以根本上就沒有H抗原。AB抗原在缺少了H抗原的情況下就沒法被製造出來了,所以病人就算明明有AB血型的基因,都做不出AB抗原。打個比喻,H抗原是泥土,AB抗原是種子種出來的花。如果沒有泥土,無論有多麼好的種子,都不會種得出花。

另外一種與孟買血型相關的血型叫做「亞孟買血型」(Para-bombay blood group)。病人雖然沒有酶去為紅血球製造H抗原,但他們有另一種酶可以在分泌物(如口水)中製造H抗原,從而製造AB抗原。病人的紅血球可以從分泌物中吸附非常少量的AB抗原。這些病人做血型測試的時候,血型仍然會「看似」是O型,但他們與孟買血型病人製造出來的抗體稍有不同。

孟買血型及亞孟買血型會為輸血帶來很多麻煩,因為孟買血型的病人有自然的anti-H抗體對抗H抗原,這種抗體會引起很強的溶血反應,所以病人只可以接受其他孟買血型的血液(正常的A型、B型、O型與AB型血全都有H物質,會被anti-H抗體而引起溶血)。而孟買血型血型極為罕有,要找到適合的血液並不容易。亞孟買血型則稍為好一點,病人會製造出較弱的anti-Hanti-HI抗體,這些抗體大多只在室溫活潑,在體溫37度時是不活潑的,所以假如真的找不到相對應的亞孟買血型血液為病人輸血,迫於焦奈的情況下也可以試試為病人與ABO相容的捐贈者進行交叉配血,只要交叉配血沒有反應,輸血都理論上是安全的。

既然孟買及亞孟買血型對輸血有如此深遠的影響,那如何分辦它們及真正的O型呢?只有使用從荊豆(Ulex europeaus)中提煉出來的anti-H凝集素(lectin)就可以了。O型病人的紅血球有H抗原,與anti-H凝集素有反應;孟買血型血型的紅血球缺少H抗原,與anti-H凝集素沒有反應;亞孟買血型的紅血球有極少量的H抗原,可能與anti-H凝集素有很弱的反應。

亞孟買血型病人的血型檢查報告
順道談一個有趣的問題,AB型的父母有沒有可能誕下O型的小孩?雖然很罕見,但如果小孩是孟買或亞孟買血型,在驗血的時候會看似是O型。另外還有一個同樣罕見的情況叫做cis-AB,病人製造出的酶可以同時把H抗原轉化為AB抗原,這個現象可以令AB型的父母誕下真正O型的小孩。

輸血科學深不可測,血庫的醫生雖然並不在前線戰場上殺敵,但為於幕後的他們為利用豐富的血液免疫學知識為前線醫生出謀獻策。他們也是救急扶危的幕後功臣。

資料來源:

1. Petrides M, Cooling L, Maes LY, Stack G. (2007). Practical Guide to Transfusion Medicine. Freiburg im Breisgau: Karger, S.

2. Hoffbrand AV, Higgs DR, Keeling DM, Mehta AB (2016). Postgraduate haematology. Chichester, West Sussex: Wiley Blackwell.

3. Dean L (2005). Blood groups and red cell antigens. Bethesda, MD: NCBI.

2017年11月4日 星期六

救人一命的毒藥

是藥三分毒,但凡有藥性的物質,就必定有毒性。但藥無分貴賤,即使最毒的毒藥,如果落在用藥高手的手上,一樣可以救人一命。史丹福今次就跟大家介紹幾種殺人無數,惡名昭彰的毒藥,如何搖身一變,成為造福世人的救命藥。

「老鼠藥」起源於1920年代一群神秘死亡的牛隻。當時一個奇怪的疾病在美國北部與加拿大牧場的牛隻中突然流行起來,牠們變得很脆弱,即使只有一點點傷口,都會令牠們流血不止。以往牧場的農夫都會為牛隻去角或者閹割,這些程序從來不會威脅到牛隻的生命,但這時卻造成了大批牛隻流血至死。

這個迷團當然引起了科學家的注意,而找出真相的人是加拿大的獸醫病理學家斯科菲爾德(Frank Schofield)。他留意到當年的天氣異常溫暖,令到餵飼牛隻的牧草發霉。他推測牛隻流血不止的原因可能與這些發霉的草木樨(sweet clover)牧草有關。斯科菲爾德做了一個實驗去證明他的想法,他分別把新鮮的與發霉的牧草餵給健康的兔子,結果吃了新鮮牧草的兔子安然無恙,吃了發霉牧草的兔子卻異常出血。

到了1940年,美國威斯康辛大學的化學家林克(Karl Paul Link)終於分離出令到動物出血的化學物質,並確定了它的結構。原來草木樨含有一種單體的香豆素分子(coumarin),而發霉產生的反應可以把令兩個香豆素分子結合,成為雙香豆素(dicoumarin)。雙香豆素就是令動物出血的原兇。

既然找到了如此有殺傷力的毒藥,當然要多加使用。人們慢慢把它用作「老鼠藥」,讓吃掉的老鼠流血至死,頗受歡迎。為了加強這種藥物的威力,林克又再改良了雙香豆素的結構。

這些殺動物的毒藥,當然也是殺人良藥。一位美國士兵嘗試服用「老鼠藥」自殺,卻被醫生用維生素K救回。研究人員於是開始思考,這種毒藥也許也不是如此的危險,如果控制恰當,應該也可以用在人身上的。這種藥經過臨床測試後,搖身一變成為了救人的抗凝血藥。它就是到今時今日依然造福大量病人的華法林(warfarin)。

今天,臨床上有很多情況都需要使用華法林來預防血栓的形成或擴展,如深層靜脈栓塞(deep vein thrombosis)、肺動脈栓塞(pulmonary embolism)、心房顫動(atrial fibrillation)及安裝了機械心瓣(mechanical heart valve)等的病人。華法林(warfarin)可以抑制維生素K,影響凝血酶(thrombin)、凝血因子VIIIXX的活動,從而達到抗凝血的效果。

華法林到現時已成為常用的抗凝血藥物

但華法林始終是「毒藥」,如果不正當地使用它,也可以是很危險的。華法林容易與藥物或食物產生相互作用,影響藥物的效用,所以病人必須要定期接受血液檢查,量度華法林的劑量。如果病人的華法林劑量太高,就需要減藥或停藥。再嚴重一點的中毒情況更可能需要用到華法林的解藥──維生素K,或者輸血漿去補充凝血因子。

華法林雖然起沿自一種毒藥,但至少這種毒藥以殺老鼠為主,不算是「罪大惡極」。但再接下來的毒藥是真正的殺人無數,令到人間一陣腥風血雨,它就是著名的大規模殺傷武器芥子氣(mustard gas)。

熟悉第一次世界大戰歷史的朋友一定會聽過伊普爾(Ypres)這個城市。它是英法聯軍與德軍交戰多次的戰場,雙方在19141918年期間在這個城市中來來回回交戰過很多回合,雙方對它都志在必得。於是,很多可怕的武器都在這個城市最先試用,如德軍就在第二次伊普爾會戰中試用毒氣,這是人類史上首場毒氣戰,當時使用的是氯氣。德軍之後再下一城,在之後的伊普爾會戰中使用了毒性更強的芥子氣。

芥子氣在第一次世界大戰時殺人無數,所到之處立即變成人間煉獄。就連當時仍是前線士兵的未來納粹德國元首希特拉都曾經被芥子毒氣攻擊,令到眼睛暫時失明,之後無緣再到前線參與一次大戰的戰役,令他耿耿於懷。雖然現時已有國際公約禁止所有國家使用芥子氣作武器,但BBC報道過極端組織「伊斯蘭國」就疑似在2016年在伊拉克中使用過芥子毒氣來攻擊庫爾德族士兵。

芥子氣的毒性極強,可以經皮膚或氣道吸收,直接損傷組織細胞。它對皮膚及黏膜有強烈的刺激作用,可以引起皮膚燒傷,出水疱,甚至潰爛。它又會破壞呼吸道的黏膜,阻礙呼吸。芥子氣也會攻擊眼睛,導致紅腫甚至失明,之前提及過希特拉就曾被芥子氣攻擊,引起暫時失明。

如此可怕的毒氣自然令到各交戰國多加防範。美國在第二次世界大戰的時候都害怕德國會重施第一次世界大戰的故技,所以對芥子氣的毒性多作研究。

1943年是盟軍進行大反攻的一年,他們在各條戰線都開始轉守為攻,贏了多場大仗。盟軍甚至反攻至意大利本土,軸心國之一的意大利終於投降,納粹德國部隊則仍然死守著意大利。納粹德國派出的轟炸機空襲意大利巴里港口的盟軍艦隻,擊沉了多艘運輸艦及貨船。但不幸的是,美國其中一艘貨船正在秘密運載芥子氣,轟炸做成毒氣的洩漏,引起過千的軍人及平民死亡。但這次意外卻令研究人員留意到接觸過芥子氣的受害者的淋巴性白血球(lymphocytes)有異常,他們的骨髓及淋巴結中的淋巴性白血球都明顯受到抑制。既然芥子氣可以殺死正常的淋巴性白血球,應該也可以殺死異常生長的淋巴性白血球吧?

美國耶魯大學的研究員Alfred GilmanLouis Goodman發現芥子氣的確對患有淋巴癌的老鼠有效。之後的其他研究顯示它對人類的淋巴癌也都有效,令芥子氣衍生出的藥物慢慢在醫學界流行起來。

最初用來治淋巴癌的藥物化學成分是把芥子毒氣中的硫原子改成氮。英國的化學家哈度(Alexander Haddow)對芥子氣的化學結構做了詳細的分析,找到了分子中有效的部分,也找到了方法可以改良這個分子,減低毒性之餘卻又保留了療法。之後其他的研究慢慢令我們認識到芥子氣衍生物的作用原理是令DNA烷化(alkylation),從而破壞DNA,抑制淋巴細胞的複製及引發細胞凋亡(apoptosis)。

今天,我們仍然有很多常見的化療藥物是改良自芥子氣的分子,如用於治療慢性淋巴性白血病(chronic lymphocytic leukaemiaCLL)的chlorambucil(它與哈度改良出的化學物只有幾個分子的分別)、用於治療多發性骨髓瘤(multiple myeloma)的melphalan,及用於治療低等級B細胞淋巴癌(low grade B-cell lymphoma)與CLLbendamustine

用於治療CLL及低等級B細胞淋巴癌的化療藥物bendamustine也是芥子氣的衍生物

最後,史丹福想介紹一種來自南美亞馬遜土人的傳統毒藥──箭毒。

南美土人使用的箭毒分為幾種,有的來自顏色鮮艷的毒蛙,有的則來自植物。他們以儲藏的器皿來分類,例如貯存於竹筒的「竹筒箭毒」、貯存於葫蘆的「葫蘆箭毒」及貯存於壺的「壺箭毒」。土人們把箭毒塗抹在箭頭或飛鏢上狩獵,這種毒藥非常可怕,會令獵物全身肌肉不能活動,最終不能呼吸而窒息至死。箭毒的毒性很強,以毒蛙的箭毒為例,一隻兩英寸長的金色箭毒蛙有足夠的毒液可以殺死10個成年男子。

南美箭毒在16世紀的時候被西班牙的征服者發現,當時已經有人記載了它的用途,但沒有人作過深入的研究。至到18世紀,有人把箭毒帶回歐洲作研究,並發現只要用風箱為全身麻痺的動物作「人工呼吸」,動物就可以免於死亡,直到箭毒的藥效過去。也就是說,只要我們有方式令中毒的人維持呼吸,那他是不會死亡的,這個發現慢慢就造就了箭毒在醫學上的應用。

當時要取得箭毒做研究是很困難,要不就要到南美森林找土人購買,有的科學家甚至找回博物館中的毒箭去提取毒物做研究。1942年,Oscar WintersteinerJames Dutcher終於在植物中提取到箭毒的有效成分d-tubocurareTubocurare這個字分拆開來,其實就是「竹筒箭毒」的意思,”tube”是指竹筒,” curare” 是指箭毒。

箭毒最早的醫學應用是精神科的腦電盪治療(electroconvulsive therapy)。腦電盪治療是利用一股微弱的電流通過腦部,以刺激腦細胞,把腦內不正常的生理狀態矯正過來。這個療法對抑鬱症及某些精神分裂症(schizophrenia)都有效。但在治療期間,病人身體的肌肉會作強烈的抽搐,強烈得可以令病人受傷或者骨骼脫臼。精神科醫生就最先嘗試用箭毒去處理抽搐問題。

一位加拿大的麻醉科醫生Harold Randall Griffith最先想到把箭毒用於外科手術的麻醉中。他為一個做盲腸炎手術的病人做麻醉時利用了箭毒來鬆弛他的肌肉,再利用氣管插管(endotracheal Intubation)的方法幫助病人呼吸,結果相當順利。

科學家其後研究出箭毒的機制,發現它可以抑制神經末梢中的神經導傳物質乙醯膽鹼(acetylcholine),這樣就可以切斷傳送給肌肉的神經訊號,令肌肉鬆弛。基於這個原理,只要我們給病人neostigmine,一種抗乙醯膽鹼酵素劑(anti-cholinesterase),就可以增加神經末梢中的乙醯膽鹼,逆轉箭毒的作用。有了這個解藥,箭毒及其衍生物的實用性又進一步提高。

到今天,使用箭毒及其衍生物(如pancuroniumvecuroniumatracuriumrocuronium)已成了麻醉時的標準做法,它們可以令病人的肌肉鬆弛,大大減輕了外科醫生做手術的困難,對開腹手術尤其重要。而且它們可以減少手術所需要的麻醉藥份量,因此病人麻醉後甦醒較快,術後肺炎及其他併發症的發病率都可以減少。

臨床藥學高深莫測,以毒入藥的例子比比皆是。只要研究充足,深明毒物的藥理,殺人的魔鬼一樣可以被我們馴服為救人的天使。

參考資料:

1. Wardrop D, Keeling D. The story of the discovery of heparin and warfarin. British Journal of Haematology 2008: 141(6); 757-763.

2. DeVita VT, Chu E. A History of Cancer Chemotherapy. Cancer Research 2008: 68(21); 8643-8645.


3. Raghavendra T. Neuromuscular blocking drugs: discovery and development. Journal of the Royal Society of Medicine 2002: 95(7); 363-367.