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Science最新封面文章:活性器官低温冷冻后复苏

发布时间:

2023-07-14

 

2023年6月30日,科学杂志刊登了Warren Cornwall的《Frozen in time》一文,详细介绍了美国明尼苏达大学 (UMN)John Bischof教授团队首次将玻璃化保存-纳米加热复温的大鼠肾脏成功移植。作为在组织器官深低温保存领域最激动人心的研究,该文成功登上了《科学》第 380 卷第 6652 期的封面文章。

 

 

在过去的几年里,明尼苏达大学的John Bischof教授团队一直在尝试从激光到导热网的各种方法,以寻找快速、均匀地加热玻璃化组织的方法。对于较大的物体,例如大鼠肾脏,他们通过强大的磁场与铁纳米颗粒相结合取得了进展。
 

他们将铁纳米颗粒悬浮在冷冻保护剂中,通过一根细长的塑料管灌注到大鼠的肾脏中。当原本深粉色的肾脏变成有光泽的乌木色时,Han 将其放入一个小塑料袋中,然后将其放入–148°C 的冰箱中。随着肾脏温度在冰箱内急剧下降,器官内的生物过程逐渐停止。这个过程只需要 45 分钟的时间,而机械工程博士后研究员韩宗虎(Zonghu Han)和约瑟夫·苏希尔·拉奥 (Joseph Sushil Rao)在 2022年4月的突破性手术却用了3 个多小时。“我们在移植前将大鼠肾脏保存长达 100 天,”Han 说,“那里永远安全”。

 

 

Han将装有玻璃化器官的小而硬的包裹取出,小心放入一个与奶油色金属盒相连的小金属杯中,当他启动按钮时,盒子会在金属杯周围产生每秒翻转正极和负极360,000次的磁场,这种波动加热了纳米铁颗粒,并在 90 秒内让玻璃化保存的肾脏得以复温。

 

 

复温后的老鼠肾脏看起来就像经历了地狱般的考验,外科医生使用一根人类头发粗细一半的线将肾动脉和静脉巧妙地接合到老鼠的腹部血管上。当他最终取下夹住主动脉血液供应的小夹子时,肾脏慢慢变成了粉红色。四十五分钟后,一滴金色的尿液从输尿管中流出。这意味着“首次成功移植玻璃化冷冻-纳米复温的大鼠肾脏”,这给世界各国低温生物医学的科研人员带来了振奋人心的消息,这是世界低温生物医学史上值得铭记的一天。

6 月初的《自然通讯》论文中,Bischof 的团队报道了对 5 个大鼠肾脏进行了这种治疗并重新植入它们。所有接受实验的动物在被宰杀前都存活了一个月,以研究它们的状况。现在,研究人员已经转向更接近人类肾脏的大小的猪肾脏。

组织和器官移植成为临床治疗的重要方式,尤其成为临床治疗不可逆器官终末期衰竭性疾病的唯一手段。器官的快速坏死是困扰人们器官移植的最大问题之一。目前大多数器官在摘取后采用装满冰的冷却器里“静态冷藏”。医生首先用“保存液”冲洗组织,以保护器官免受严寒造成的损伤。这些溶液还含有营养盐和抗氧化剂来维持细胞存活和抑制炎症。在0-4摄氏度下,细胞的新陈代谢率降至正常速度的5%左右,因此组织消耗能量的速度要慢得多,维持活动所需的氧气也更少。因此,给器官降温有助于延缓缺血的发生,从而防止器官出现受损或功能失调。

 

保温容器或冷藏箱中静态存放供体器官保质期通常都很短,人类心脏或肺与捐赠者分离后,医生有 4 到 6 小时的时间将其连接到新患者的血液供应中,以免其受到不可挽回的损坏。对于肝脏来说,窗口期是 8 到 12 小时。对于肾脏来说大约可以维持 1天。这么短的保存时间给医疗系统和患者带来了巨大负担。据统计,超过 60% 的捐赠心脏和肺未能及时到达接受者手中。世界卫生组织估计,只有不到 10% 需要器官移植的人真正得到了移植。

 

 

通过液氮等深低温保存器官使之延长保存时间就成了摆在医生和低温生物学家面前的一个重要任务。但通常认为,目前在深低温(-150℃以下)下储存并复活的最大尺寸的生物样本是一粒食盐大小的人类胚胎。低温生物学家格雷格·法伊(Greg Fahy)在 1985 年《自然》杂志上发表的论文揭示了一种化学过程,可以使小鼠胚胎在接近 –200°C 的温度下保存。他们的技术解决了冷冻活组织的主要障碍:冰。2002年,Fahy 将他的研究工作从小鼠胚胎扩展到兔子肾脏。他甚至将预先玻璃化的器官植入动物体内。这只兔子存活了近7周。但尸检显示,尽管肾脏功能足以维持动物的生命,但其大部分已受损。

所以科学家们希望能够实现复杂组织器官的深低温保存,从而建立冷冻保存的组织库,例如皮肤、整个器官,甚至四肢,从而缓解器官组织移植短缺的问题,并让医生有时间更好地为受者移植做好准备。而通过明尼苏达大学的试验成功,重新给这一切带来了新的希望与动力,我们相信在不久的将来,随着玻璃化保存与纳米加热试验的不断成熟,人体器官组织的保存时间将会不断延长,移植的成功率也将会大幅提升。

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