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制作可乐冰沙的原理,能让“超冷冻”的心脏复跳?

长久以来,心脏保存是个难题,零度以上保存时效太短,零度以下人体组织又会被冰晶破坏。科学家一直试图破解这个两难的局面。而现在,他们找到了一条出路。
 
撰文 | 栗子
等容过冷用的容器示意图丨来源:Anthony Consiglio, UC Berkeley
 
心脏一旦脱离人体,通常保存不了多久。利用现有的冷保存技术,心脏细胞的功能会在4小时后开始衰竭。如果把这样的心脏移植给患者,器官出现功能异常的风险便大大增加。由于时间限制,捐献的心脏中大部分都无法及时移植给需要的患者,只有被丢弃。
 
但如今,加州大学伯克利分校的科学家,找到了一种能让心脏组织保存更久的办法,使得心脏组织在零度以下储存3天后,还能成功复苏。他们的研究成果发表在《通讯生物学》(Communications Biology)期刊上。
 
温度虽低,却不结冰
 
那要把物体保存在零度以下的环境,都有怎样的方法?传统的冷冻方法又叫“等压冷冻”(isobaric freezing),就是把物体放在气压恒定的地方冷冻,比如一个标准大气压下面:当温度降到零度以下,水会开始结冰。
 
可是冰晶会破坏细胞结构,让人体组织受到伤害,不利于活体器官的保存。那么,怎样才能实现既让温度降到冰点以下,又不让组织结冰?
冰比水的密度小丨来源:Johnathon Choate
 
当水结成冰,体积会膨胀。但如果在一个坚硬的容器中充满水,排尽里面的气泡,再将容器放进冷冻室,由于没有多余的空间留给水去结冰,于是,冰点以下的水也能保持液态。这样就可以避免冰晶破坏人体组织。
 
这种操作叫做“等容过冷”(isochoric supercooling)。你也可以做到类似的事,比如把一瓶摇过的可乐放进冰箱的冷冻室,几个小时后便会得到一瓶“超冷冻”可乐。
“超冷冻”可乐丨来源:The Sci Guys
 
它原本没有结冰,但假如摇晃瓶身,就会发现里面的可乐迅速凝固:当二氧化碳气泡释放出来,与液体部分充分接触时,冰晶就在气泡周围形成了。
 
当然,伯克利的科学家们关心的不是“超冷冻”可乐能不能做成冰沙,而是“超冷冻”心脏能不能保留它原本的功能。
 
保留哪些功能才算成功?
 
于是,科学家诱导人源性的干细胞形成心脏组织,它们能像真实的心脏那样跳动,且跳动的节律也与人类心律接近。这样的组织也称作“心脏微生理系统”(MPS)。与此同时,刚性容器里已经装满了器官保存液。把跳动着的心脏微生理系统放进容器并密封好,几乎不留气泡,就可以开始执行“等容过冷”操作了。
心脏组织的过冷保存,瓶中灰色为心脏组织,蓝色为保存液 来源:doi: 10.1038/s42003-021-02650-9
 
他们把容器放进-3°C的环境里,等到24小时、48小时和72小时后,分三批将组织取出,放在接近人类体温的37°C环境中,看有多少块心脏组织能够复跳。结果显示,曾经在-3°C停跳的心脏微生理系统,大多数都恢复了跳动。具体来说,24小时后取出的心脏组织样本中,有65%能恢复正常的自发搏动。48小时后和72小时后取出的心脏组织,分别有50%和55%恢复了正常的自发搏动。
蓝色为恢复正常自发搏动的心脏组织样本,灰色为部分恢复自发搏动的样本,其他样本未能恢复自发搏动 来源:doi: 10.1038/s42003-021-02650-9
 
科学家认为,这样的成功率在心脏复跳方面算是相当高了。考虑到心脏组织之间还有个体的差异,以及整个过冷操作都没有使用冷冻保护剂,这样的结果就更令人鼓舞。
 
不过,自发跳动只是心脏组织功能的一部分。除此之外,研究团队还要测试保存后的心脏组织对外部电刺激的反应。假如你听说过心脏起搏器,它的原理就是用电极刺激心肌,促进心肌收缩。而这次,科学家也为过冷后的心脏组织插上电极,查看它们的表现。
 
结果发现,被插入起搏电极的心脏组织中,大多数(50%-70%)作出了正常反应。此处的正常,指的是这些心脏组织和未经过冷的对照组,在接受电刺激时表现相近。
 
第二项测试结束,又有第三项。合格的心脏组织,应当对一些治疗心脏的药物有所反应。科学家想知道,过冷后的心脏组织能不能产生这类反应。于是,他们用1微摩尔/升的异丙肾上腺素作为考题,这是一种用来增加心率的药物。
 
实验显示,过冷保存后取出的心脏组织暴露在药物之中,心率有了显著提升。虽然心率提升的程度与对照组有些差距,但研究人员并不能确定这个差距究竟是由过冷保存导致的,还是与心脏组织之间的个体差异有关。
24小时后与72小时过冷后取出的心脏组织,暴露在药物中,心率有明显提升 来源:doi: 10.1038/s42003-021-02650-9
 
经过各项测试,科学家终于确认等容过冷后的心脏组织还能恢复基本功能。另外,免疫荧光染色实验也证实,这种低温保存方法并没有损失心脏组织的结构完整性。
 
团队相信,这是第一次有(干细胞诱导产生的)心脏组织在过冷保存之后成功复苏。虽然,复苏的还不是真正取自人体的心脏组织,但依然给心脏移植带来了更多的可能。
 
远距离传送心脏
 
现有的心脏保存技术,标配是把停跳的心脏放进保存液当中冷却,通常只能保存4-6小时。所以长久以来,待移植的心脏都很难承受远距离传送,比如一位身在东南沿海的捐献者,他捐献的心脏可能无法用在西部省份的病患身上。
 
假如有一天,等容过冷技术能将心脏储存24-72小时,且保证基本功能正常运行,心脏移植的时间窗口便能得到大大延展,让更多有需要的患者获得生的机会。
 
这项研究是一次关键的概念验证。不过一小块心脏组织可以复苏,还不代表一整个心脏也能复苏。科学家接下来要做的事,就是把技术适用的范围从组织扩大到器官,让等容过冷心脏早日投入临床。
 
参考链接
 
[1] https://www.nature.com/articles/s42003-021-02650-9
 
[2] https://engineering.berkeley.edu/news/2021/09/cold-hearted-science/
 
[3] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5724041/
 
[4] https://www.livescience.com/how-long-can-donated-organs-last-before-transplant.html
 
[5] https://www.youtube.com/watch?v=cIiyuT-ogzo
 
本文经授权转载自微信公众号“环球科学”。



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