科学家发明“零损伤”复苏冷冻人体细胞技术，器官短缺问题将得到改善

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科学家发明“零损伤”复苏冷冻人体细胞技术，器官短缺问题将得到改善
# `5 l% a. r0 h- o作者：   来源：麻省理工科技评论   发布者：左丽媛   日期：2017-03-27: w7 L' o& E' W* ?* I, V3 C& j3 F
　近日，科学家发明了一种新型纳米磁加热技术，可以零损伤地复苏冷冻的人体细胞组织。
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) A! Q6 v+ r7 [6 ]* a( F1 r  u冷冻人体，是指利用凝冰保藏（Cryopreservation）把组织长时间保存在液氮（-160°C）中，而在需要的时候，再把组织加热复苏的一种技术。
9 q8 p! \7 K+ e( r把冷冻的组织加热复苏而不产生损伤是一件非常困难的事情，这不但需要保证加热均匀，而且需要保持一定的加热速度。一旦这个过程中产生冰晶，所造成的机械力就会损伤细胞，大幅度降低组织活性。
3 m& D0 ^5 [8 |7 G, _, M而最近，科学家利用一种新型纳米材料磁加热组织，可以保证体积高达50毫升的生物组织以超过每分钟130°C的速度均匀加热，而不产生损伤。而此前，其他技术只能无损伤地加热复苏1毫升的生物组织，此技术突破了先前的技术极限，将体积提升整整了五十倍。4 R+ v( C6 {" \
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冷冻保存人类器官一直都是大家梦寐以求的一种技术。暂且不提科幻电影中利用冬眠舱延长人类寿命，如果能够冰冻保存器官，器官短缺问题就能得到很好的解决。
0 l+ c6 X# O$ A2 Z3 @调查显示，仅仅在美国，每天因等待器官移植而死去的人就高达22人。而器官短缺问题，很多时候不是因供体不够，而是因为捐赠的器官不能被长时间的保存，在到达患者之前就“坏了”，不具备生物活性了。
  B' U& \# Y. h  i4 ^* e! ?比如，心脏和肺只能在冰上存放最多四个小时；肝、小肠和胰腺只能存放8-12个小时。因此，超过60%的器官因来不及送达受体而不得不被处理掉。假设这些坏掉的器官能用一种合适的方式冻存起来，在到达受体以后复苏又不失活性，器官短缺问题就能大大改善。
6 _0 `9 D) ^  U4 s/ z' w科学家估计，只要这些被浪费的器官中，有一半能保存起来，那么在未来的两到三年内，将不再存在器官短缺这个问题。7 d% B1 A6 E* K+ I/ V( Y9 C
玻璃化冷冻（Vitrification）是现在最先进的冷冻器官技术，已经有公司（Alcor）使用此技术冻存人类大脑。然而，面对相对先进的冻存技术，冷冻复苏技术的发展还相对迟缓。
! |4 Y; g  N0 L8 @* o这意味着，如果没有合适的技术，人类器官银行将只是个“幌子”，器官只能被冻起来，却无法被合理地“提取”出来。
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组织玻璃化冷冻，传导对流加热和纳米加热示意图。中间A-B是组织被放在防冻液中，在液氮中储存。左边C-D是传导对流加热，颜色从蓝到红表示温度从低到高，可以看到冻存管越靠外面温度越高，越靠近中间温度越低。右边E-F表示新型纳米磁加热，在均匀的磁场下，冻存管各个部分的温度接近相同，融化后细胞还有活性，组织还可以被再利用。
! F0 F) y/ s/ Z2 O传导对流加热是之前加热冻存的小体积生物组织的“标准方法”。然而，一旦生物组织的体积变大，传导加热就不够均匀，会产生冰晶损伤组织，或者组织会因受热不均直接碎裂。  J6 k/ p" U7 w; I
为了克服这一问题，科学家们祭出了“纳米微波炉”方法。- j6 {1 |& h0 t* D8 C7 p
他们把直径50nm左右，镀有二氧化硅的氧化铁纳米颗粒（iron oxide nanoparticle (IONP) ）和组织混在一起。再通过均匀的磁场加热组织（工作原理类似于我们烧菜的微波炉），使得组织的各部分以接近相同的速度升温，而不产生冰晶。当组织完全融化后，再把纳米颗粒洗去，得到相对纯净而又不失活性的组织。; ~  Y- I  J/ Q7 ]0 z! [7 g
他们试验了一系列猪和人的组织细胞，从小体积1ml到大体积50ml，使用传统对流加热复苏和新型纳米加热复苏进行比较。0 @6 g; [# {; n$ V3 R! Y1 Y
在1ml的体积下，纳米加热和传统加热后的细胞有类似的存活率和生物机械特性。而在50ml的体积下，传统加热的细胞存活率降低了约80%，纳米加热的细胞存活率几乎没变。简单的说，纳米微波炉技术在小体积时和“标准方法”一样有用；在大体积时，可以成为新的标准方法。
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  V+ w; V+ U( r8 e另外，科学家也在猪的劲动脉上使用此方法进行了冷冻再加热复苏。这样处理以后的血管和原始血管在长度和弹性上都没有显著区别，其他生物力学特性也几乎保持不变。
, j1 I: H" B$ s! h' N当然，这个研究现在还存在一些局限性，如果需要加热复苏整个器官，那么需要先把这些纳米颗粒均匀地注射到整个器官当中。这一技术难题，也是科学家下一步需要克服的问题。0 H- g" O2 @; h; t+ ?2 G
另外，本实验并没有真正地成功将一个完整的器官冻存然后升温复苏。尽管我们离真正做到凝冰保藏整个器官还有一定的距离，这一纳米颗粒磁加热技术已经让人十分兴奋了。
# V( v5 n& i& I6 @$ c3 F3 e# j“这是人类首次成功将大体积的生物组织从零下几百度摄氏度，升温复苏而且还保持活性”，明尼苏达大学机械工程学兼生物工程学教授约翰·比绍夫（John Bischof）说道。
& n% N: C6 J" A$ k+ @他也是本研究的资深科学家之一：“我们突破了高温和低温的极限，而往往当突破极限时，你就会发现很多有趣的事情。这一研究实在太令人兴奋了，他将会为器官银行的建立提供技术支持。当然，它也会有巨大的社会影响力，可能会出现很多超越冷冻器官的应用。”2 X8 P3 n4 p6 f