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【输血服务蓝皮书】我国血液辐照技术的应用与展望

2021-12-08 13:57     来源:中国输血行业发展报告     血液辐照放射性同位素X射线伽马射线

本文摘选自《中国输血行业发展报告(2021)》B27,作者 李剑平,辽宁省血液中心副主任,主任医师;朱江,山东威高集团医用高分子制品股份有限公司,总监;李晓丰,辽宁省血液中心研究所主任、科教科长,主任技师;

【摘要】血液辐照技术,作为预防输血相关性移植物抗宿主病(TA-GVHD)最可靠和最有效的血液处理技术,近年来迎来了新的发展浪潮,这主要得益于新兴的X射线血液辐照技术的发展和完善。相比于传统的同位素血液辐照技术,X射线血液辐照技术具有安全性、经济性、环保性等优点,同时也具有射线穿透性较低,剂量均一性较差等弱点。本文对比了两种辐照技术的效能,分析了X射线血液辐照技术的优势、挑战及其应对方案,为读者了解这一新兴技术,提供了全面的视野和详实的资料。此外,本文也对输血相关性移植物抗宿主病的特点和我国的血液辐照技术应用的现状及与国外情况进行了概述,对于我国血液辐照技术应用的前景和方向进行了展望。


好消息:《输血服务蓝皮书》第六部 《中国输血行业发展报告(2021)》出版发行(以下为正文)

输血相关性移植物抗宿主病(TA-GVHD)是一种严重的输血相关并发症,其死亡率高达90%,它发病快,缺乏良好的诊疗方法,预后差。血液辐照是临床常用的一种血液及血液成分处理方法,主要原理是通过电离辐射对血液或血液成分进行辐照,有效灭活血液或血液成分中的具有免疫活性的T淋巴细胞,输注经辐照的血液或血液成分,可以有效预防TA-GVHD的发生。各国对于血液辐照的剂量也进行了明确规定,目前公认的剂量范围为25-50Gy。

血液辐照技术经过了数十年的发展。在2015年之前,国际上通常使用的血液辐照技术,都是以放射性同位素(钴60或铯137)为辐照源的同位素辐照技术。放射性同位素发出的γ射线,具有能量高、穿透性好、剂量均匀等优势,但同时也具有屏蔽困难、需要严格监管、同位素废料处理困难等劣势。近年来,X射线血液辐照技术逐渐发展完善和成熟,该技术在保证有效性的前提下,相较同位素辐照技术,其安全性、使用和管理成本等方面都有了长足的改善,为血液辐照技术的使用和推广提供了有力的保障。

血液辐照技术自上世纪末引入我国以来,由于前期受到的重视程度不够,以及同位素血液辐照仪严格的监管流程,因此只在较小比例的采供血单位和医院开展。这与我国巨大的血液输注量不相匹配,临床单位的辐照血需求也未能得到满足。

本文通过系统化的梳理血液辐照的应用、血液辐照技术的原理、特点和改进过程,全方位地展示这一领域的技术变迁,同时对我国当前的这一领域的现状进行了阐述,对我国血液辐照技术的未来发展进行了展望。

一 输血相关性移植物抗宿主病及其预防

输血相关性移植物抗宿主病(TA-GVHD)是一种严重的输血不良反应,它是由于受血者不能清除输入血液中具有免疫活性的淋巴细胞,使其在体内植活、增殖,将患者的组织器官识别为非己物质,并作为靶目标进行免疫攻击、破坏的一种致命性输血并发症。它起病突然,不易诊断,进展迅速,疗效较差,死亡率为90%以上。

TA-GVHD的临床表现缺乏特异性,与药物治疗或者肿瘤的放、化疗的不良反应相似,因此极易漏诊和误诊。

TA-GVHD在普通人群的发病率约为0.01%~0.1%,但在高危人群达到0.1%~1%,甚至更高;例如有文献报道在放化疗免疫功能低下血液病患者中,发病率达到2%。

TA-GVHD的确切发病机制尚未明了,早期通常认为TA-GVHD的高风险人群主要为免疫力低下的病人,但后续的报道发现,情况要复杂得多,在一些免疫功能正常的患者身上也发现或提示TA-GVHD,如日本的部分心脏手术患者;在心肺复苏和其他心血管手术中、胆囊切除术、子宫切除术、剖宫产术和膝关节置换术,也报道过同类病例;另外,亲属间输血也会提升发病的概率。这些病例表明,除了免疫功能低下外,TA-GVHD还存在着一些其它危险因素。

HLA单倍型纯合子的血液成分容易引起TA-GVHD。在供血者基因型为a/a纯合子,受血者基因型为a/b杂合子的情况下,即使受血者免疫功能正常,受血者的免疫系统也有可能不能识别供者的淋巴细胞为非己细胞,而导致外来淋巴细胞在体内的植活和扩增,产生对自体的免疫攻击。

综合这些情况,对于TA-GVHD最有效的应对方法是预防而非治疗。目前国际上公认的有效的预防手段,就是对含有活性淋巴细胞的全血和血液成分进行辐照,包括全血、红细胞、血小板和粒细胞。

血液辐照的效果,目前已被广泛的证明和认可。以作为TA-GVHD高发地区的日本为例,自从对所有血液成分进行辐照后,日本红十字会(JRC)再未接到确诊的TA-GVHD病例报告。目前通常认为,先天性免疫缺陷的病人、骨髓与造血干细胞移植病人、器官移植病人、放化疗造成免疫力低下的病人、早产儿病人、宫内输血与宫内换血病人等为TA-GVHD高危病人;需要大量输血的心血管手术病人、高龄手术病人、亲属间输血病人、人类白细胞抗原(HLA)配型的血液成分输注病人,也具有较高风险。这些病人都建议使用辐照血。另一方面,由于免疫功能正常的受血者接受无关供者血液输注时,也有发生TA-GVHD的可能性,因此近年来辐照血的使用范围有逐年扩大的趋势。

二 血液辐照技术的发展历程

血液辐照技术,是指采用一定剂量的电离辐射(γ射线、X射线)对全血或成分血进行照射,灭活其中的活性淋巴细胞,同时保持其他细胞和血液成分的功能活性。输注辐照过的血液或血液成分可有效预防输血相关移植物抗宿主病(TA-GVHD)的发生,提高输血的安全性。

血液辐照的剂量范围十分重要,既要保证完全抑制T淋巴细胞的增殖,又要确保不影响其它血液成分的质量。目前大部分国家规定的血液辐照剂量为25~50Gy。

我国《血站技术操作规程》2019版第3.7.5.3 条款规定:“血液辐照最低剂量为 25 戈瑞(Gy),血液任何位点的辐照剂量不宜超过 50 Gy。”

(一)γ射线血液辐照技术

γ射线血液辐照技术是从二十世纪七十年代开始发展的,它主要是利用钴-60(60Co)或铯-137(137Cs)等放射性同位素作为辐射源,辐照全血或血液制品。

γ射线血液辐照仪的主要工作原理,是将射线源密封在高密度材料(通常是铅)屏蔽的容器内,样品罐(Canister)放置在旋转装置(或传动装置上),传送到射线源的旁边进行辐照。设备的辐照区域都包含在足够厚度的屏蔽铅房中。

γ射线血液辐照仪经过四十多年的发展,已经非常成熟,安装和使用的范围也遍布了世界各国,但是由于其使用了较强的放射性同位素源,其γ射线危险性较高,防护较为困难,并且放射性同位素的射线一直处于放射状态,需要做好辐射防护以及放射性素的管理等相关工作,增加了使用成本。

具体来说,主要包括以下方面:1、无论是钴-60还是铯-137射线源,其γ射线对人体都具有较强的伤害性,必须严格防护和管理,通过环保部门的环境影响评价,公安部门也需备案并建立实时联动监控报警系统,审批难度较大,同时需要较高的管理成本。2、由于γ射线的穿透性强,防护需要的铅当量较高,因此设备重量很大,对于设备本身结构和安放场所的承重都有较高要求;3、除设备本身的防护外,安放场所还需要一定程度的外界屏蔽;4、设备报废时,需要专业的机构回收同位素废料,成本较高。5、针对这些不足之处,各国的研究人员一直在努力寻找解决方案。近年来,同样能提供电离辐射,但不含同位素源的X射线血液辐照技术终于形成了突破,成功地应用到了医疗领域。

(二)X射线血液辐照技术

X射线与γ射线一样,都属于电离辐射,通常情况下X射线的能量低于γ射线的能量。与γ射线的产生不同,X射线的通常由一种称为“X射线球管”的装置产生。X射线球管的工作原理,是由阴极的灯丝产生电子束,然后在阴极和阳极之间加上高电压(几十至几百千伏),电子被加速到很高的速度,具有很高的能量。高速电子撞击阳极上的钨靶,就能激发出X射线。激发出的X射线从球管的“窗口”射出,并经过一定的过滤,就能用于血液样品的辐照了。因此X射线的发出是受电源控制的,其能量和剂量都是可控的。

通常使用的X射线球管,其管电压在几十到几百千伏范围。球管电压越高,其产生的X射线能量越高,穿透性越强。以160KV的X射线球管为例,它产生的X射线能量范围,是从几十KeV到160KeV,是一个连续光谱,平均能量大约在70~80KeV左右。与钴-60(平均1.25MeV=1250KeV)和铯-137(662KeV)的γ射线相比,X射线的能量大大降低。

X射线的能量显著低于γ射线,因此穿透性也显著降低,这对于血液辐照仪的安全性而言,是很大的优点。据计算,160KV的X射线的屏蔽铅当量,仅为同位素的1/30,即只需要同位素辐照仪的铅房厚度的1/30,就能完全屏蔽X射线。这样辐照仪的屏蔽难度极大地降低了。

X射线血液辐照技术相对于传统的γ射线血液辐照技术,主要有以下的优势:安全:更容易屏蔽,外界剂量更低;便捷:不含永久性的辐射源,辐照由开关控制,只在需要辐照样品的时候开启射线装置;

稳定:没有同位素半衰期的问题,辐照剂量率稳定;环保:没有环境污染的隐患,无需担心同位素废料的处理;易于审批:相对同位素射线装置,X射线辐照仪属于三类射线装置,只需环境影响登记表备案,无需环境评价。

(三)X射线血液辐照技术面对的主要挑战

如同硬币的两面,X射线辐照技术带来了安全性的提高,同时其较低的能量也造成了射线穿透性的下降,从而影响了血液辐照的剂量均一性。X射线会在穿透血液制品时,剂量逐渐下降。(见图)

图 150KEV的X射线在水模中的剂量衰减曲线

如果X射线剂量的下降幅度过高,就会造成样品各部分(或不同样品)的辐照剂量差距过大,降低了辐照剂量的均一性,从而无法保障血液辐照的有效性。

要保证血液制品任意位置的辐照剂量在25~50Gy范围内,X射线辐照仪的设计,需要保证射线穿透的血液厚度越小越好。在样品杯旋转的情况下,射线入射方向的血液制品厚度也不能超过10cm。另一方面,辐照杯装载不同数量的血液制品时,不应增加射线入射方向的血液制品厚度。

(四)γ射线血液辐照技术与X射线血液辐照技术的效能比较

国际的输血研究机构,对于γ射线血液辐照仪和X射线血液辐照仪的辐照效果及辐照后血液成分质量和相关指标的差异,进行了全面和多次的比较,结论是没有显著性差异。

我国的辽宁省输血医学研究所开展了X射线血液辐照仪RS 3400(美国RadSource公司)与同位素137Csγ射线辐照仪GM8000(德国BIOBEAM公司)的比较研究。研究结果显示,X射线和γ射线辐照后对红细胞、血小板T淋巴细胞灭活抑制率组间比较无差异;X射线和γ射线辐照后红细胞、血小板的各项质量指标均符合GB18469-2012《全血及成分血质量要求》中的规定,组间比较无显著性差异;X射线和γ射线辐照后红细胞、血小板的各项观察指标均无显著性差异。

四 血液辐照技术应用的现状和展望

从国际上看,发达国家的血液辐照技术应用已经有了长足的进展,日本作为TA-GVHD的高发国家,经过X射线血液辐照仪的普及,血液辐照的比例达到了90%以上。日本红十字会(JRC)已经连续数年没有接到新增的TA-GVHD病例的报道了。美国、加拿大、英国、澳大利亚、新西兰等国的辐照血比例已达到30%~50%,韩国、新加坡等周边国家的血液辐照比例也迅速增长。

但在我国,血液辐照技术的应用还处于起步阶段,与发达国家的发展水平有很大差距。据统计,截止到2020年12月,我国安装的血液辐照仪数量不足100台,红细胞辐照的比例不到5%。

这种情况,主要受到两方面的因素影响:首先,同位素血液辐照仪对管理和使用的要求很高,审批复杂,管理和使用成本高,因此造成很多采供血单位和医院对之望而却步。据调查,截止2019年底,我国装备的同位素血液辐照仪的数量不足80台,大部分的采供血单位和医院都无法提供辐照血。其次,由于TA-GVHD的临床表现缺乏特异性,极易误诊和漏诊;同时,很多临床大夫对这个疾病缺乏了解和认识,从而导致了对于血液辐照的缺乏重视。

随着技术的进步。X射线血液辐照技术经过了十多年的发展和完善,目前已经发展到360°辐照多个样品杯的第三代技术,这一技术很好地解决了X射线血液辐照的安全性和有效性的矛盾,大大地促进了血液辐照应用的推广和普及。

近年来我国经济水平不断增强,人民生活水平不断提高,对于输血安全和辐照血的认识也不断增强,血液辐照的应用必将越来越普及。X射线血液辐照技术的发展,正好给了我们这样的机遇,可以更安全、更经济地将血液辐照技术应用到临床上,为我国的输血安全和人民健康水平的提高助力。

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