作者:陈曦 来源:科技日报 发布时间:2023/8/16 12:53:51
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新技术有望延长冷冻器官“保鲜期”

 

依靠“冷冻技术”,穿越千年,在未来苏醒,这是科幻小说中常有的情节。虽然,目前实现冷冻和复活整个生物体还很遥远,但冷冻器官的科技进展还是给人们带来不少惊喜。

近期,发表在学术期刊《自然·通讯》上的一项研究显示,美国明尼苏达大学的科研人员已在大鼠身上实现肾脏的长期冷冻和复温,并且这些经冷冻的肾脏在移植后能够恢复完整的肾功能。这是科学家首次证实哺乳动物的器官经冷冻和复温后,可以被成功移植并维持生命。这给冷冻器官提出了新的技术解决方案。

器官离体保存时间短

器官移植,是人体器官衰竭后的最后一根“救命稻草”。全世界每年进行的几十万例器官移植手术,让几十万条生命得到了延续。在中国,每年有30万人在生死边缘排队等候器官移植,其中却只有1万余人能通过器官移植获得新生。

目前,我国已经可以开展人体肝脏、肾脏、心脏、肺脏、胰腺、小肠等6种人体器官移植的手术;其中,肾移植、肝移植的手术技术都已经十分成熟。但器官移植手术并没有广泛普及,主要原因之一就是供体器官“保鲜期”太短。

“器官离体保存是器官移植手术中的必要步骤,而器官冷冻和复温是延长器官离体保存时间的关键技术,这方面的突破可能重塑目前的器官移植临床体系。”南开大学附属第一中心医院器官移植中心主治医师、南开大学移植医学研究院课题组长粘烨琦博士认为。

目前,传统的器官离体保存技术主要为低温静态冷保存,这种保存技术的“保鲜期”确实有点短。例如,心脏能够保存4小时,肝脏能够保存12小时,肾脏能够保存24小时左右;像胰脏、小肠等消化器官,由于存在残留细菌、消化酶、组织驻留性淋巴细胞等特点,保存起来难度更大,保存时间会更短。

“因此,目前的器官移植手术一般都是急诊手术,在空间和时间上较大地限制了医生对患者的救治。”粘烨琦举例,为了能让患者尽快手术,在寻找配型成功的患者时就有对地域的考量,避免因路程耗时导致器官离体保存时间延长、错过最佳手术时机,甚至失去手术机会等情况的发生。同时留给医生的术前准备和检查的时间缩短了,只能完成基础的检查与准备,可能存在术前评估不充分、术前处理不到位的风险。

为此,科研人员也一直在探索让离体器官由“短期保鲜”到“长期保存”的新技术。“离体器官‘长期保存’的技术通俗地讲,主要由‘冻’和‘化’两个环节组成。”粘烨琦解释,目前器官冷冻及复温主要包括器官冷冻剂制备、器官冷冻剂灌注、器官降温、器官持续冷冻保存、器官复温、器官灌洗等步骤。其中冷冻技术中最常用的方法被称为“玻璃化”,即使用高浓度冷冻保护剂和较快冷冻速度,防止器官的细胞在超低温环境下形成冰晶,从而避免冰晶损伤细胞最终导致器官受损。在复温的过程中,还需要掌握好速率,让器官均匀升温。

近期,低温机械灌注、常温机械灌注等技术的发展在一定程度上延长了器官的离体保存时间,为患者和医师赢得了更多的时间。但目前的技术一般也仅局限于将器官离体保存时间延长数小时到数周(数周仅限于临床前试验),因此器官离体保存仍处在“短期保鲜”的范围内。

器官冻存难度远高于细胞

近些年,随着基因和细胞技术及产品在医学上的研究、应用的快速发展,人们会经常接触到和冻存干细胞、卵子、精子以及胚胎等相关的信息。很多人不禁会问,细胞冻存这么多年后在需要的时候还能使用,而离体器官也是由细胞组成的,为什么器官就不能用相同的技术进行保存?

天津干细胞开发应用协会副会长李相国介绍,目前干细胞冻存技术是将细胞储存在深低温环境中减少细胞代谢,使细胞处于休眠状态,是实现长期储存的一种技术。具体方法是采用梯度降温法,将准备好的细胞经程控降温后转移至-196℃的液氮罐中长期保存。

“这种技术可以用于保存胚胎细胞等各种类型的细胞。”李相国表示,从理论上来讲,细胞冻存可实现永久储存。医生和患者可以随时获取冻存细胞进行治疗、研究或再生医学方面的应用。

然而,干细胞、胚胎等属于细胞冷冻及复温的范畴,如果把冷冻细胞的技术用于冷冻器官,这显然不是一个简单的量变过程,应用在整个器官大小的组织上时会面临更多的难题。

“首先,冷冻保护剂无法均匀地渗入到较大的组织中,当器官较大时,其中心部位凝固所需的时间也会延长,这将导致冰晶的形成。”粘烨琦还介绍,用于细胞冷冻的冷冻剂没有细胞毒性即可,而冷冻器官的冷冻剂还需要具体考虑其对器官的毒性。更为棘手的是,每个器官都是由多种细胞组成,每种细胞的特性以及功能都不相同,同样的冷冻剂可能对不同类型的细胞产生的毒性也各不相同。无论哪种类型的细胞受到损伤,都会影响器官的使用功能。

其次,单个细胞或者是大约只有100个细胞的微小胚胎的冷冻状态更容易评价,复温过程中的细胞损伤也更容易评价。而器官作为一个具有组织结构的整体,需要在复温过程中均匀受热,受热不均可导致器官不同组织结构间出现膨胀或收缩的作用力,使器官造成物理损伤。

“目前‘玻璃化’只是部分地解决了器官‘冻’的难题,但是像冷冻过程中冰晶形成,冷冻和复温过程中温度的控制,复温过程中需要组织器官整体均匀解冻以及缺血再灌注损伤等难题依然存在。”粘烨琦认为。

或将重塑临床器官移植体系

此次发表在《自然·通讯》的研究解决了较大器官的复温难题,研究者们开发了一种“纳米复温”技术:冷冻过程中,在使用保护剂灌注器官时,在其中加入氧化铁纳米颗粒,复温时则将冻存器官放在射频线圈中,电流会产生感应磁场,通过器官中的铁粒子产热;保护剂通过毛细血管均匀灌注到器官内,由于射频电场会无衰减穿透组织,所以保证升温速率的同时加热也很均匀。

“此次明尼苏达大学科研团队的‘纳米复温’技术还包括用乙二醇取代原保护剂中的丙二醇研发了新型冷冻剂VMP,降低了冷冻剂的毒性。”粘烨琦介绍,该研究显示,保存100天的大鼠肾脏在解冻后依旧能保持活力,接受肾脏移植的大鼠顺利活过30天的研究期。

由于器官“玻璃化”技术后紧跟的复温问题一直难以解决,一些科学家也开始另辟蹊径,绕过这些难点进行新的探索。

哈佛大学泰勒教授团队根据自然界中北极林蛙的冷冻、复温原理,设计了一种合成糖来保护肝脏,在-4℃的条件下将人类肝脏保存了27小时;此外,团队通过将合成糖与生物冰核Snomax结合,可以在-15℃下将组织储存5天,并且解冻后组织损伤较对照组而言更轻。

此外,还有的科学家在“冻”的环节下功夫。比如加州大学伯克利分校团队在不造成损伤的情况下,在较高的压力下冷冻器官,从而限制冰晶的形成。利用这一策略,研究团队将一枚猪心脏在-4℃下保存了21小时,随后把它移植至一只健康的猪体内,这枚心脏在移植后顺利跳动。并且这一策略无需使用大量冷冻保护剂,减少了对器官的毒副作用。

谈及器官和冷冻复温技术的发展对未来医疗的影响,粘烨琦表示,这将重塑目前的临床器官移植体系。“这项技术发展成熟并应用于临床后,器官移植就不再只是急诊手术,将有更长的时间去完善术前准备。分配系统也能够有更多的时间进行器官分配,实现最佳的组织配型,同时边远地区的患者也能够得到更多的移植机会。目前利用率较低的器官,如心脏、肺、胰腺等可以得到更好地保存与运输。”粘烨琦充满期待地说。


 
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