科学家首次实现心脏过冷储存与复苏，原理来自“可乐沙冰”

无论是拯救世界后被冰封近 70 年的美国队长，还是各种科幻情节中的“休眠舱”，利用低温保存人体或器官使其保持活性，待解冻时就能“复活”的概念似乎离人们越来越近。

理论上， “人体冷冻技术”的原理并不难理解，首先通过液氮将人体或重要器官降至接近绝对零度（-196℃）下保存，然后只需等待有一天，科技发展到可将人体或者器官‘复活’。”
虽然先冷冻再“复活”的想法非常美好，但是其中需要克服的困难和阻碍以目前科技来说还很难实现。
众所周知，冷冻过程会给机体造成不可逆的损伤，其中最重要的因素是细胞结冰。当机体内的大量水分结冰时，细胞会形成冰晶，而这些锐利的冰晶很有可能会对细胞膜产生破坏，并且形成冰晶后的细胞会给自身 DNA 带来巨大威胁。此外，细胞进入脱水状态也会导致其最终死亡。
因此，目前在移植器官的供应和需求关系中，仍存在着巨大的缺口。长期以来，如何更长时效地保存人体器官功能健康都是该领域难题。以心脏为例，一旦心脏脱离人体 4 小时后，便会出现衰竭现象。所以，捐献中心的捐献心脏如果无法及时移植给相关患者，超过时效后只能废弃。
当地时间 9 月 22 日，来自加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的鲁宾斯基实验室博士后马特·鲍威尔·帕尔姆（Matt Powell-Palm）与其团队发现了一种可以更长时效保存心脏组织的方法。通过这种方法，他们成功地将心脏在零度以下保存3天后成功复苏。
相关论文以《制作可乐冰沙的原理，能让“超冷冻”的心脏复跳》（Isochoric supercooled preservation and revival of human cardiac microtissues）为题，发表于《通讯生物学》（Communications Biology）上[1]。
作为论文第一作者鲍威尔·帕尔姆表示：“据我们所知，这是有史以来第一份关于自律工程化人类心肌组织的过冷与复苏报告。”

图｜相关论文

该操作的核心技术被称为“等容过冷”（isochoric supercooling），是由同样来自加州大学伯克利分校的鲍里斯·鲁宾斯基 （Boris Rubinsky）在大约 16 年前开创。
该技术的最大特点在于，可避免低温下保存的生物材料形成有害的冰晶。传统的等容过冷技术会将生物材料呈现在恒压的大气中，使其冷冻成固体。
而新的等容过冷技术是将生物材料密封在一个无空气且注满液体的刚性容器中。在这样的条件下，即使温度降低至冰点，也没有形成冰晶的空间。

图｜等容过冷用的容器示意图
在之前的实验中，鲁宾斯基通过该技术将样品冷却至零下二十摄氏度，结果样品中仍有接近二分之一的材料未被冻结。
对此，鲁宾斯基解释：“这是基本的热力学。当要冻结的材料被限制在一个刚性盒子中时，只有部分体积会冻结。”
这种操作类似于将摇晃过的可乐放入冰箱中冷冻，一定时间后可乐会变成“可乐沙冰”。“沙冰”状态下的可乐其实并没有结冰，如果动摇就会发现，瓶内的可乐会快速固化，这是因为当二氧化碳的气泡与可乐接触时，气泡周围就会形成冰晶。
简单来说，当温度降到冰点，水会自然结冰且体积膨胀。但是，如果在一个刚性坚固的容器中装满水，水中的气泡被排尽，坚固的容器中没有多余空间让水结冰。因此，这种情况下的水依旧可以保持液态。同样，类似的方法可以避免低温保存器官形成冰晶后带来的伤害。

图｜可乐冰块比可乐水的密度小
在本次实验中，鲍威尔·帕尔姆团队利用干细胞形成的心脏进行测试，这样的心脏组织也称作“心脏微生理系统”（MPS），它们不仅与人类心脏跳动相似，而且节律与真正的心律也非常接近。
研究团队将该系统放入灌满器官保护液的刚性容器中并开始冷却至零下 3 摄氏度，然后研究团队分别在隔了 24 小时、48 小时、72 小时的时候取出细胞，并尝试在 37 摄氏度下唤醒细胞活性。
结果表明，有至少超过 60% 的样本组织可以复苏并进行自律跳动。此外，经历不同时长冷冻的样品之间无明显差异。
在后续的样本实验和检查中，研究团队发现，尽管越长时间的冷冻会使心跳有持续略微上升的趋势，但是对于心脏的完整性和心率并无任何影响。

图｜心脏组织保存过程
另外，在经过各项测试后，研究团队还发现在接受过等容过冷实验的心脏组织可对“异丙肾上腺素”保持药物反应（用于提升心率），因此研究团队接下来会进一步将研究用于临床，甚至拓展到人体其他重要器官上。
鲍威尔·帕尔姆表示，“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。”

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