The US military’s race to make fake blood

美国军方研发人造血液的竞赛 | MIT Technology Review

生物技术与健康

美国军方研发人造血液的竞赛

DARPA正在加大对开发稳定保存替代品的投入，这种替代品是前线医疗兵和创伤医生最需要的——更多血液。

作者：

• Andrew Rosenblum 档案页面

2026年10月14日

一个双室袋装着名为ErythroMer的冻干血红蛋白产品和灭菌水。如果一切按计划进行，医护人员将在现场携带这些袋子，并迅速重新水合产品以进行快速输血。Matt Roth 提供

它的代号是“吗啡1-2”。

2007年2月，这架重型双旋翼伤员后送直升机刚刚将三名受伤士兵送往巴格达以北巴尔德的野战医院，又接到另一个任务：在白天穿越由武装分子控制的区域执行紧急飞行任务。通常情况下，直升机只会在这个区域夜间飞行，并且关闭所有灯光。

当它飞越安巴尔省东部的卡尔马市时，一名武装分子发射了便携式导弹发射器。尾部机枪手可能看到导弹呼啸而来，大喊让飞行员采取规避动作。但导弹已经锁定目标，随后的爆炸引发了机上火灾。飞行员与失控的机器搏斗了58秒后，“吗啡1-2”坠毁。七名机组人员全部遇难。

为什么这架直升机会在白天出现在那里？“它正在获取血液并将其带回。这属于我们所说的‘血液运输’任务，仅次于伤员后送，是最高优先级的任务，”海军军官、DARPA（美国国防高级研究计划局）项目主管罗伯特·默里中校解释道，他作为情报官曾研究过这起事件。

如今，军方和民用领域长期存在的血液短缺问题正在推动合成替代品的研发竞赛。据估计，约90%的可预防战场死亡是由血管破裂导致的失血造成的，而失血也是全球产妇死亡的首要原因。2025年发表在《输血》期刊上的一项研究发现，在美国有120万名创伤患者在抵达医院前可能需要输血，但只有1%的人实际获得了输血。根据美国外科医师学院的数据，这种短缺每年导致美国约1万名可预防死亡，全球这一数字可能达到数百万。

短缺的一个原因是血液存在储存难题。全血在冷藏条件下仅能保存35天，因此血库会将成分分离以延长保存时间。但这并不是完美的解决方案。帮助伤口凝血的血小板通常在室温下保存，保存时间不超过一周。医院和军方会将携带氧气的红细胞以及富含蛋白质、有助于恢复血容量和凝血的血浆进行冷冻。然而，一旦解冻，这两种成分几天内就会变质。“如果我不知道何时会被攻击怎么办？解冻后它们就会过期，对吧？”默里说道。

一项关于阿富汗战斗伤害的《JAMA》研究指出，对于需要输血的人来说，有一个神奇的时间数字：你有36分钟开始输血。

这正是默里（Murray）所主导的DARPA项目要解决的问题。默里除了拥有军事经验外，还拥有生理学博士学位，他正在领导一个名为RAPIID（用于“复苏和预防缺血引起的功能障碍”）的新项目。该项目耗资7300万美元，目标是开发三种主要输血成分的稳定储存版本：血浆、血小板和红细胞。RAPIID项目将于今年晚些时候启动，它延续了数十年来合成血液或延长血液保存时间的研究。最近，这些研究包括一个名为FSHARP（用于“战场出血的生物人工复苏产品解决方案”）的DARPA项目，该项目耗资4750万美元，研究人员在动物实验中已取得令人鼓舞的成果。

KaloCyte的技术人员使用一种名为切向流过滤机的设备来处理未包裹的血红蛋白。

MATT ROTH

处理完成后，血红蛋白被浓缩并进行冷冻干燥，以实现稳定储存。

RAPIID项目将针对不同成分的试验并行推进，目标是到2029年在战场上部署干燥血液制品的包装袋。这使默里处于一个协调者的角色，需要与FDA协调临床试验，同时还要采购与输血相关的各种物资，从能经受战斗环境的储存袋到可检测患者体内人工血液含量的检测工具。

完成所有工作将面临巨大挑战，但军队正感受到解决血液短缺问题的紧迫性。在大规模伤亡事件后，献血活动可能无法及时提供血液，而一项发表在《JAMA》上的阿富汗战场伤害研究指出，如果伤者需要输血，关键时间是36分钟。“如果某种情况是可治愈的——通常我们把大多数出血情况归类为可治愈的——那么如果你在36分钟内获得血液，几乎可以确保生存，”默里表示。超过这个时间点后，生存几率“会急剧下降”。

在制造便携式、稳定储存的血液成分方面，血浆是最容易实现的。自20世纪30年代末以来，研究人员就已掌握分离和冷冻干燥血浆的技术。在二战战场上，血浆中含有的水、盐和数千种蛋白质混合物帮助伤员恢复血容量，并在一定程度上控制出血。20世纪60年代，美国因冷冻干燥血浆存在通过受感染献血者传播肝炎的风险而放弃使用。但随着筛查、检测和干燥技术的改进，自2010年起，美国军队启动了多年计划以重建生产这些产品的能力。过去两年中，FDA已批准两种冷冻干燥血浆在紧急情况下供美军使用，其中一种甚至可用于平民。

至于血小板，延长其保存时间的研究可以追溯到20世纪50年代，但进展有限。例如，生物工程师曾尝试将血小板膜附着在合成颗粒上。最成功的项目来自一家名为Cellphire的公司，该公司对实际的人类血小板进行冷冻干燥。该产品在临床试验中已显示出安全性和有效性，但其依赖献血者的特性使得这种方案的可扩展性尚不明确。

红细胞同样难以保存或模仿。它们最关键的部分是血红蛋白，它负责运输氧气并包裹在细胞膜中。一个多世纪以来，研究人员一直在寻找无需细胞膜即可输送血红蛋白的方法，以避免由此引发的免疫学挑战，例如供体和受体的血型必须匹配。然而，进化压力之所以形成这种包裹结构，是有充分理由的：“裸露”的血红蛋白在血液中容易快速分解，这可能导致器官损伤。它还会清除一氧化氮——我们体内天然扩张血管的机制，导致血管通道收缩。

这一问题在20世纪80年代和90年代变得尤为明显。当时，由于担心输血可能传播艾滋病病毒，人们开始关注一类无需细胞膜的输送机制，称为血红蛋白基氧载体（HBOCs）。其中一种名为HemAssist的产品由连接在一起的血红蛋白亚基组成，以避免快速分解的问题。它还有一个额外优势：在冷存储中可保存约一年（而红细胞仅能保存约40天）——但它未能解决一氧化氮问题，导致血管收缩。在一项临床试验中，接受HemAssist的52人中有24人死亡，而对照组46人中仅8人死亡。其母公司于1998年终止了试验。2008年发表在《JAMA》上的一项临床研究综述进一步确认了HBOCs的命运，发现它们通常使患者心脏病发作风险增加三倍，并使死亡风险增加30%。

近年来，研究人员尝试使用一种名为“血液制药”（blood pharming）的技术在实验室中培育红细胞，该技术涉及从称为诱导多能干细胞的前体细胞制造红细胞。主要障碍是成本和产量。2008年，DARPA启动了一项制药计划，使用废弃脐带血中的干细胞，但未能将每单位红细胞的成本降至数万美元以下。他们最终放弃了该项目，将研究转移至联合服务大学。即使成本降低，制药血液也无法像背包一样携带。“这些仍然是细胞——它们仍然需要冰箱，仍然需要特殊处理，”默里表示。

一次性解决所有这些挑战并不容易。“每个项目单独来看都是一项巨大的工程，”来自阿拉巴马大学伯明翰分校的外科教授约翰·霍尔科姆说，他在索马里摩加迪沙的战斗中担任过外科医生，这场战斗启发了《黑鹰坠落》一书。“我认为这些项目单独来看可能会成功。如何使用这些单独的产品，或如何将它们组合在一起，我认为还有待观察。”

在DARPA放弃实验室培育血液的几年后，默里被派驻冲绳岛基地，该岛位于日本本土西南400英里处。在那里，他亲眼目睹了血液供应的脆弱性。该基地设有一个血库，为岛上约27000名由该岛指挥的海军陆战队员提供服务，同时还为基地上数千名军人以及部署在太平洋1亿平方英里范围（从印度西部到夏威夷，从南极到北极）的美军人员提供服务。“血库就在医院旁边，距离岛上所有卫星通信设施约200米，”默里告诉我。“一枚导弹袭击就可能摧毁这三处设施。”

Murray 想到：有没有办法制造出能更长时间保存的合成血液？当他于 2018 年完成生理学博士学位时，美军也逐渐意识到冲绳设施的脆弱性。2018 年《国家防务战略》将军事重心从反恐转向与中国或俄罗斯可能爆发的地面战争，这让战争规划者认识到，依赖单一地点为整个 USPACOM 提供血液运输存在风险。DARPA 随后再次认真投入合成血液的研发，并于 2023 年启动了 FSHARP 计划。2024 年，Murray 加入 DARPA 生物技术办公室担任副项目经理，2026 年升任项目经理，这距离 RAPIID 今年 5 月发布提案征集仅数月之遥。

如显微镜下所示，SynthoPlate 是一种携带肽的合成血小板，这些肽帮助它模仿天然血小板的功能，包括粘附在破裂的血管和彼此之间。

SEN GUPTA 提供

在他接手之前，相关研究已持续多年。在 FSHARP 资金支持下，一家名为 KaloCyte 的公司继续测试一种技术——该技术最初由现任职于马里兰大学、宾夕法尼亚州立大学和匹兹堡大学的医生开发，能够将即将过期的献血者血液中的血红蛋白“重新利用”。“我们提取这些血红蛋白，将其封装在仿生细胞膜结构的脂质纳米颗粒中，”首席执行官 Elaine Haynes 解释道。

这种产品名为 ErythroMer，本质上是一种新型 HBOC（血红蛋白基氧载体）。膜结构可防止血红蛋白分解，限制对一氧化氮的危险性清除，并帮助血红蛋白摄取和释放氧气。每个 ErythroMer 细胞都包含一种名为 KC-1003 的脂质，其作用类似哨兵：当肺部 pH 值升高时，它会向 ErythroMer 内部的另一种小分子发出信号，使其移开，从而允许氧气进入。而在 pH 值较低的疲劳组织中，KC-1003 会将小分子拉回，释放氧气。

通过一种被称为冷冻干燥（lyophilization）的成熟工艺——与二战时期科学家用于血浆的工艺类似——团队将产品冷冻干燥后常温储存，可在两年内保持稳定。在一项 2016 年针对血液被移除 70% 的小鼠和大鼠的研究中，ErythroMer 稳定了血压和氧气输送，而没有出现 HemAssist 引发的血管严重收缩现象。FSHARP 推动了后续研究，资助了 HBOC 与血浆和血小板相互作用的实验。

正如瑞士军刀的刀柄一样，合成血小板具有专用的附着结构——这些肽相当于生物领域的开瓶器或砂纸。

不过，KaloCyte 仍有诸多问题需要解决。Haynes 表示，公司每月只能获取约 1000 至 2000 单位即将过期的血红蛋白。因此，公司已获得一种酵母菌株的授权，计划在实验室中自行生产血红蛋白。

通过视频通话，Haynes 向我展示了 ErythroMer 的成品样本。它被封装在双腔的重型储存袋中。一腔装满鲜红色粉末——即血红蛋白产品，另一腔装有无菌水，可在野外快速复水。她解释道，按照 Murray 的总体规划，“未来你还会看到另一个装有合成血小板的容器，以及第三个装有血浆的容器。”

但实现这一愿景的关键，是找到一种能正常工作的合成血小板。

为实现这一目标，DARPA邀请了凯斯西储大学生物工程教授Anirban Sen Gupta参与。他解释道：“传统上血小板被视为血液中的‘水泥’，但实际情况并非如此简单。在我看来，它们更像是无人机，持续监视血管壁，寻找损伤迹象。”Sen Gupta的团队，还包括匹兹堡大学的合作者，利用FSHARP资金继续开发名为SynthoPlate的产品。该产品由一种脂质纳米颗粒制成，他将其比作瑞士军刀的把手，具备特殊肽附着物——这些附着物相当于软木塞开瓶器或指甲锉的生物等价物。第一代产品包含三种附着物：一种可结合名为冯·威勒布兰德因子的化学物质，帮助血小板附着于受损血管壁；另一种附着于胶原蛋白，作为细胞再生的支架；第三种则模仿名为纤维蛋白原的血液蛋白，像乐高积木连接器一样，使合成血小板能够附着于伤口附近的天然血小板。与ErythroMer类似，该产品采用冻干工艺，可使用无菌水重新配制。在常温下可保存超过一年，在类似沙漠的122华氏度高温下也能保存至少三个月。

在2026年发表于《Advanced Science》的一篇论文中，研究人员发现SynthoPlate将血小板计数较低的小鼠的出血时间和失血量减少了超过一半。在另一项研究中，他们还将这些人工血小板安全地注入大鼠的骨髓——考虑到出血患者可能没有可用静脉，这比静脉注射更具实际意义。Sen Gupta与一位同事将这项研究成果转化为了名为Haima Therapeutics的公司。

在他看来，好消息是制药行业擅长大规模生产数十亿脂质纳米颗粒——例如“Operation Warp Speed”项目，这些脂肪微粒在新冠疫苗中承载着脆弱的mRNA片段。“人工血小板的神奇之处在于附着在颗粒表面的那些肽，但该平台的可扩展性早已得到充分验证，”他表示。

全球范围内，潜在的血液替代方案层出不穷。英国剑桥大学的研究人员正在尝试为稀有血型或镰状细胞贫血等血液疾病患者培养红细胞，其他研究团队也成功培育出血小板和红细胞。日本科学家已开始在人体试验中测试他们自己的封装人体血红蛋白版本。

未来三年内，RAPIID项目将使DARPA的努力更接近现实应用。除ErythroMer和SynthoPlate外，该机构于10月初宣布为五家其他公司提供资金，这些公司正在开发血液成分。其中一家名为Abioremedi的公司放弃使用血红蛋白，转而采用其他携氧蛋白（如细胞球蛋白、神经球蛋白和肌红蛋白）的合成版本，这些蛋白被包裹在白蛋白中——白蛋白是人体血浆中最丰富的蛋白质。Octapharma USA获得了为RAPIID供应血浆的独家合同，同时还将用其获得FDA批准的凝血蛋白对盘状纳米颗粒进行修饰，参与血小板领域的竞争。

在这些参与者到位后，该机构将在未来一年内专注于通过大型FDA监管的动物研究推进技术。默里创造了一种类似“饥饿游戏”的局面：每个参与血液成分研究的承包商仅能获得一年的保障资金。他表示自己正在利用自FSHARP项目启动以来该领域的技术进步，同时也为2029年截止日期前可能出现的制造或监管挫折做好了应对准备。被砍掉并不意味着产品本身有问题，只是时间表过于紧张。

第二和第三年将专注于人体试验，由科罗拉多大学安舒茨医学校园监督。这将包括在风险效益比明显倾斜的情况下使用这些产品，例如在救护车运送的严重伤员身上。

致命性结局的可能性引发了对DARPA选择的质疑。来自加州大学旧金山分校输血医学与细胞治疗研究中心主任Shibani Pati认为，默里通过支持SynthoPlate和ErythroMer等此前未在人体中测试过的产品，可能给自己设定了过于“DARPA式”的高难度目标。“他们需要集中精力将已开发的技术通过FDA审批，”她说，“而不是从需要漫长研发周期的‘登月计划’项目起步。”对于血小板产品，Pati认为RAPIID项目本应选择Cellphire公司，因为其产品已获得五角大楼数百万资金支持，并在人体中展示了安全性和有效性。（默里指出他只能选择申请的公司，而Cellphire并未提交申请。）

她对ErythroMer也持类似担忧。她指出，另一种从牛血红蛋白中提取的HBOC产品Hemopure自2001年起已在南非获批使用。尽管该产品尚未获得FDA批准（它是2008年JAMA研究的参与者），但美国医生仍被允许在患者出现严重免疫反应或对常规输血有宗教反对时使用它。

外科教授Holcomb担心这些产品之间可能产生相互作用的问题。他指出，单独的血液成分具有多重功能：红细胞也参与凝血，血小板具有抗炎作用，血浆有助于调节凝血过程。RAPIID项目开发的版本是否能以相同方式发挥作用尚无保证。

默里表示，FSHARP的动物研究正是出于这种可能的相互作用考虑，才测试了所有产品组合，并以全血作为基准。这种组合在几乎所有指标上都达到了项目要求，唯独凝血效果略显不足，可能是因为某些分子之间的负电荷相互排斥。

“我认为它们不会完全复制全血在人体中的所有功能，”Holcomb说。但他承认，“也许你不需要做到这一点，对吧？当你严重受伤并失去50%的血管内容积时，你就会死亡，对吧？所以如果你失去30%并勉强维持生命，也许你带着这些不同产品出现时，体内仍保留着足够的全血来完成其他功能。”

Murray 决心完成试验，以确保可在货架上保存的血液能够在 2029 年投入使用。除了存储袋之外，他还已开始采购用于现场血液检测的指尖采血器，以及一种电池驱动的设备用于加热血液成分。

血液运输的风险——进而也暴露出数百万身处战区、产房和救护车中人员的脆弱性——推动着他大胆的科学研究。深知其中利害，他在 2024 年告诉上司，即使 FSHARP 项目失败，"我们仍应再投入 5000 万美元并重新尝试一次"。

Andrew Rosenblum 是一位科技记者，也是技术惊悚小说《Stretch Goals》的作者。

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