在最新一期的《Science》杂志上，Warren Cornwall撰写了一篇关于如何冻结器官甚至整个生物体，并使它们复活的报道。这篇报道登上了期刊的封面。接下来，让小编带大家一起回顾一下整个报道。
观看好莱坞电影长大的人或许会相信，冻结和复活整个生物体的技术已经离我们不远了。想想《星球大战》，汉-索罗被困在"碳酸盐"中，然后奇迹般地复活了。再说《少数派报告》，汤姆-克鲁斯被囚禁在一个神秘的监狱中，结果变成了一个冰冻的人形冰棒。还有漫威电影中的美国队长，被埋在北极的冰层中，然后在将近70年后的续集中奇迹般地复活，为续集增添了更多精彩的剧情。
然而，现实并没有那么简单。在温度远低于零的情况下，常规储存和复活整个生物体是相当困难的，目前已成功尝试的最大生物体仅限于一粒食盐大小的人类胚胎。冷冻生物学家格雷格-法伊（Greg Fahy）指出，如果今天尝试对整个人进行冷冻复活，结果将是一个充满有毒化学物质、毫无生命迹象的身体。"你会感到极度遗憾的。"
法伊（Fahy）和他的同事在1985年的《Nature》杂志揭示了一种化学过程，允许小鼠胚胎在接近零下200°C的温度下储存。他们的技术解决了冷冻活体组织的主要障碍：冰。
当水结冰时，它会对组织内部造成破坏。水分子从一个紧密的无定形流体变成了一个坚硬的晶格。冰晶像刀子一样撕裂了细胞。细胞液中的盐分在最后冻结的组织部分集中到了有毒的浓度。任何一个冷冻和解冻过草莓的人都会看到这样的结果：解冻后呈现一个糊状的、变色的草莓。
保持组织低于冰点并尽量减少冰的形成是至关重要的，这也是为什么低温生物学家不喜欢使用"冻结"这个词的原因。对于小鼠胚胎而言，法伊和他在美国红十字会的同事威廉-拉尔(William Rall)采取了一种方法，首先将小细胞团浸泡在一种化学混合物中，以去除大部分水分，并用类似于汽车散热器中的防冻剂来替代。这些低温保护剂以一种粘稠的液体形式稀释水分子，阻止冰晶的形成。
然后他们用-196°C的液氮冷却保存在细长塑料吸管中的胚胎。在快速冷却和冷冻保护剂之间的作用下，冰没有时间形成。水分子没有排成整齐的结晶模式，而是像僵硬的液体一样随机地粘在一起，这一过程被称为玻璃化。其结果是一种坚硬、光滑、类似玻璃的物质，没有冰的特性。为了重新加热胚胎，拉尔在0°C的水中搅拌吸管。
小鼠胚胎的研究为存储类似大小的人类胚胎铺平了道路，改变了生育治疗的方式。然而，要找到对大约100个细胞构成的微小胚胎，并将其应用于整个器官却并不容易。让冷冻保护剂均匀渗透到较大的组织中是困难的。这可能需要更长的时间来使中心部分凝固，从而促进了冰的形成。尝试增加冷冻保护剂的注入来对抗冰的形成可能会造成损害，因为这些化学物质是有毒的。
冻结器官的过程
解冻过程也会带来一些问题。如果一个物体升温太慢，当组织接近冰点时，冰晶就会形成。如果它没有均匀地升温，由不均匀的膨胀或收缩引起的应力会使物体破裂，就像冰块掉在水杯里一样。
2002年，Fahy加强了他在小鼠胚胎和兔子肾脏方面的工作。他最成功的一次是将一个先前已经玻璃化的肾脏植入兔子体内。这只兔子存活了近7周。但验尸报告显示，尽管肾脏的功能足以让动物存活，但它的大部分已经损坏。
此后，Fahy一直在解决这个问题，测试不同的化学混合物以及冷却和解冻方案。Fahy说："这比我想象的要难，"但他认为所有这些都将得到回报，只是还没有完全达到目的。
明尼苏达大学博士后研究员Zonghu Han将大鼠肾脏连接到将称为冷冻保护剂的防冻化学物质和微小氧化铁颗粒泵入器官的管子上
坚持下去的理由
器官的快速腐烂是器官移植中最大的挑战之一。自从人类心脏或肺脏与捐赠者分离的那一刻起，医生只有4到6个小时的时间将其与新病人的血液供应连接起来，以免器官受到无法挽回的损害。对于肝脏而言，这个时间窗口为8到12小时，而对于肾脏而言，大约是1天左右。
这种匆忙的情况给医疗系统和病人带来了负担。外科医生在半夜被叫到医院。移植受体将一个外来的器官塞进他们的身体，而没有时间进行治疗，以帮助他们的免疫系统适应环境。超过60%的捐赠的心脏和肺部没有及时送到接受者手中。世界卫生组织估计，需要器官移植的人中只有不到10%的人真正得到了移植。
低温保存带来了一种可能性，即器官在被植入之前可以被储存几天、几周甚至几年。这可以避免器官在几个小时后被扔掉，并使医生在需要时更容易找到器官，或者选择那些与受体免疫学更接近的器官。
Zonghu Han戴着防护手套，取出装有大鼠肾脏的容器
自从移植外科医生拉奥在2022年突破性手术的重演中从一只老鼠身上取出肾脏后，肾脏存活的时间已经过去了3个多小时。现在，随着肾脏在冰柜内的温度急剧下降，逐渐破坏器官的生物过程停了下来。"Han说："我们已经将大鼠肾脏在移植前储存了100天。"它在那里是无限期的安全。"
在这种情况下，肾脏在外面的时间只有45分钟。Han在一片水汽中打开了盖子，取出了一个装有玻璃化器官的小而硬的包。他把这个包放在一个连接到乳白色金属盒的小金属杯里。当他按下一个按钮时，盒子在杯子周围产生一个磁场，每秒钟翻转正负两极36万次。这种波动加热了铁颗粒，并在90秒内解冻了肾脏。
图：利用快速变化的磁场加热器官内的铁颗粒
尽管Bischof所说的纳米加热是他对肾脏的首选工具，但它需要昂贵的机器和一次性的治疗。5月，史密森学会海洋生物学家Mary Hagedorn在佛罗里达州坦帕市外的一个实验室，测试由Bischof实验室开发的一种更简单的方法：一种被设计成能快速传递温度的细金属网。她正在对成批的珊瑚幼虫进行试验。如果它有效并且可以扩大规模。
当像Bischof和Hagedorn这样的科学家正在努力解决玻璃化问题，其他人正在寻求一条更容易的途径，即避免需要注入大量冷冻保护剂的超低温度，这样便使复温变得更具有挑战性。
在哈佛大学和MGH，科学家们正在从大自然中获取线索，将组织推到冰点以下，同时抑制冰的生成。木蛙（Rana sylvatica）是这个领域的一个冠军。它发现在北美的大部分地区，包括寒冷的加拿大北极地区，它可以在花了几个月的时间，在低至-16°C的温度下冻结其多达三分之二的身体后，恢复生命。
木蛙
随着冬天的到来，一连串的生理变化使青蛙做好了在冰冻中生存的准备，MGH生物医学研究员香农·泰西尔（Shannon Tessier）说，他研究了青蛙和其他在接近冰点时冬眠的动物。它的肝脏产生葡萄糖，在组织内起到防冻剂的作用。组织内的抗氧化剂水平增加，防止细胞中氧气量的突然变化造成的损害。青蛙血液中的特殊蛋白质充当冰晶的种子，引导冰生长从更耐用的脉管系统开始，而不是在其他更脆弱的组织中开始。她说，这种变化“是我们想要拉到人体器官和组织的主题”
在波士顿，包括Tessier在内的一组科学家模仿青蛙，用合成糖淹没人类肝脏，与天然葡萄糖不同，这种糖不能代谢成有毒的副产品。2019年，他们宣布这种方法使他们能够将人类肝脏在-4°C下储存27小时，是捐赠肝脏标准寿命的两倍多。
进展迅速，足以使那些好莱坞的剧本看起来不那么离奇。一些科学家提出了储存在基因工程猪体内生长的玻璃化人体器官以备将来移植的可能性。Tessier正在努力使整个动物（微小的斑马鱼幼虫）处于悬浮状态。到目前为止，她已经将它们在-10℃下部分冷冻了3天。当解冻时，一半的鱼存活下来并继续生长。把人换成鱼并提高成功率，科幻小说中的主食最终可能成为现实。
来源：BioMed科技
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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