從人類心臟或肺與捐贈者分離的那一刻起，醫(yī)生有 4-6 小時的時間將其連接到新患者的血液供應(yīng)中，以免其受到不可挽回的損壞。對于肝臟來說，窗口期是 8-12 小時，對于腎臟來說，窗口期大約是 24-36 小時。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，超過 60% 的捐贈心臟和肺未能及時到達接受者手中；只有不到 10% 需要器官移植的人真正得到了移植。

因此，科學(xué)家們希望最終能夠建立冷凍保存的組織庫，例如皮膚、整個器官，甚至四肢，從而緩解短缺問題，并讓醫(yī)生有時間更好地為受試者移植做好準備。

近日，來自明尼蘇達大學(xué)的研究人員報告稱，他們使用突破性的復(fù)溫技術(shù)成功地將玻璃化和復(fù)溫的腎臟移植到大鼠體內(nèi)，并在移植 30 天內(nèi)恢復(fù)了完整的腎功能，且腎臟在低溫下持續(xù)保存長達 100 天。

相關(guān)論文以題為“Vitrification and nanowarming enable long-term organ cryopreservation and life-sustaining kidney transplantation in a rat model”發(fā)表在 Nature Communications 期刊。

（來源：Nat Commun）

現(xiàn)階段能在遠低于零攝氏度下長時間儲存并復(fù)活的最大生物體是人類胚胎。低溫生物學(xué)家 Greg Fahy 曾表示，如果用當(dāng)今的技術(shù)對整個人進行嘗試，結(jié)果將是一具充滿有毒化學(xué)物質(zhì)的無生命尸體。

Fahy 于 1985 年就在 Nature 發(fā)文，揭示了一種可以使小鼠胚胎在 -198℃ 下保存的化學(xué)過程，稱為“玻璃化冷凍”。這是一種使用更高濃度的冷凍保護劑（CPA）和更快的冷卻速度的方法，通過在冷卻過程中形成玻璃態(tài)來完全避免結(jié)晶，現(xiàn)常被用于卵子和胚胎冷凍。

該技術(shù)解決了冷凍過程中的主要障礙：冰。當(dāng)水結(jié)冰時，它會對組織內(nèi)部造成嚴重破壞，水分子從緊密堆積的無定形流體轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂跃Ц?，冰晶會像刀子一樣撕裂細胞。而冷凍保護劑（CPA）可以稀釋粘性液體中的水分子，從而阻止冰晶的形成。

復(fù)溫過程同樣重要。如果物體升溫太慢，當(dāng)組織接近冰點時就會形成冰晶；如果加熱不均勻，不均勻的膨脹或收縮引起的應(yīng)力會使物體破裂。

領(lǐng)導(dǎo)此次研究的 John Bischof 是明尼蘇達大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系教授，在過去幾年，他領(lǐng)導(dǎo)團隊嘗試了從激光到導(dǎo)熱網(wǎng)的各種方法來快速、均勻加熱玻璃化組織?；诖艌龊丸F納米顆粒相結(jié)合，研究人員開發(fā)了一種稱之為“納米復(fù)溫”（nanowarming）的技術(shù)，可以保證較大器官內(nèi)部以及整個器官均勻升溫。

具體而言，氧化鐵納米顆粒與 CPA 溶液會一起灌注到整個器官脈管系統(tǒng)中。當(dāng)腎臟需要復(fù)溫時，射頻線圈會感應(yīng)交變磁場，均勻加熱納米顆粒。腎臟重新升溫后，CPA 和納米顆粒會一起被沖出腎臟。此外，無論器官大小如何，毛細血管內(nèi)的灌注都可以充分均勻地輸送 CPA 和氧化鐵納米顆粒。因此，納米復(fù)溫本質(zhì)上可以擴展到人體大小的器官以進行臨床轉(zhuǎn)化。

▲圖 | “納米復(fù)溫”具體過程（來源：[1]）

首先，研究人員對 5 只大鼠腎臟進行玻璃化冷凍，并轉(zhuǎn)移至-150℃ 的冰箱中保存。當(dāng)需要復(fù)溫時，使用 15kW 射頻線圈在 63kA/m 和 180kHz 條件下，90s 內(nèi)即可解凍腎臟。

然后，研究人員通過將器官連接到機器而不是移植到實際動物體內(nèi)，測試了幾個離體復(fù)溫腎臟的功能。作為對照，他們使用了在 4°C 下冷藏 24 小時的腎臟和用不含氧化鐵納米顆粒的 CPA 溶液沖洗的腎臟，這些腎臟都沒有玻璃化，也沒有重新加熱。

在肌酐清除率（腎功能的主要標志）方面，復(fù)溫的腎臟表現(xiàn)比新鮮的腎臟差，但與 CPA 沖洗的腎臟相當(dāng)，這表明這種非嚴重的功能喪失是由于 CPA 毒性而不是玻璃化/復(fù)溫過程所導(dǎo)致。重新加熱和 CPA 沖洗的腎臟也基本上與冷藏的腎臟一樣。所有組的尿量均接近正常。

體內(nèi)實驗表明，經(jīng)過最初一段時間的調(diào)整后，納米加熱的腎臟在活體大鼠中的表現(xiàn)與新鮮移植物一樣好。移植后一到兩周，腎功能的所有主要標志物均恢復(fù)正常。

此外，腎臟還產(chǎn)生促紅細胞生成素（一種刺激紅細胞生成的激素），并將維生素 D 轉(zhuǎn)化為其活性形式。在隨訪期結(jié)束時，這兩項功能也顯得正常。

（來源：明尼蘇達大學(xué)官網(wǎng)）

值得注意的是，在這項研究中，移植前，玻璃化大鼠腎臟低溫保存時間長達 100 天；腎臟移植后，5 只老鼠接受者均能夠在 30 天內(nèi)恢復(fù)全部腎功能，無需額外干預(yù)。

“在最初的兩到三周內(nèi)，腎臟并未完全發(fā)揮功能，但到了三周后，它們就恢復(fù)了。一個月后，它們的腎臟就功能齊全，與移植的新鮮器官完全沒有區(qū)別。”該研究的共同資深作者、明尼蘇達大學(xué)醫(yī)學(xué)院移植外科醫(yī)生和外科教授 Erik Finger 介紹稱。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向豬腎臟，其更接近人類腎臟的大小。Bischof 暫未透露任何關(guān)于這項研究的細節(jié)。此外，F(xiàn)inger 也表示，在人類移植中，會實施更多的干預(yù)措施，包括藥物和透析等，來輔助腎臟移植。

其他科學(xué)家正在尋求其他方式解決玻璃化問題，如避免超低溫或增壓。

麻省總醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)研究員 Shannon Tessier 研究過青蛙和其他在接近冰點的環(huán)境下冬眠的動物，如木蛙三分之二的身體在 -16℃ 的溫度下冷凍數(shù)月后仍能恢復(fù)活力。

她表示，隨著冬天的到來，青蛙的肝臟產(chǎn)生葡萄糖，在組織內(nèi)充當(dāng)抗凍劑。組織內(nèi)的抗氧化劑水平增加，防止細胞中氧含量突然變化造成的損害。青蛙血液中的特殊蛋白質(zhì)充當(dāng)冰晶的“種子”，引導(dǎo)冰在更耐用的脈管系統(tǒng)中開始生長，而不是在其他更脆弱的組織中開始。

包括 Tessier 在內(nèi)的一組科學(xué)家通過向人類肝臟注入合成糖來模仿青蛙，這種合成糖與天然葡萄糖不同，不會代謝成有毒副產(chǎn)品。2019 年，他們宣布該方法使他們將人類肝臟在 –4°C 下保存了 27 小時，是捐贈肝臟標準壽命的兩倍多。

▲圖 | 木蛙可以在加拿大北極等地的部分冷凍狀態(tài)下存活數(shù)月（來源：[5]）

最近，該團隊將這種合成糖與 Snomax 的輸液相結(jié)合，Snowmax 是一種生物造雪劑，可以讓水滴的凝結(jié)溫度更高，凝結(jié)速度更快。像木蛙血液中的蛋白質(zhì)一樣，Snomax 減緩了冰的形成并將其集中在大鼠肝臟的血管中，使它們能夠在 -5°C 下部分冷凍長達 15 天，然后在有限的損傷下解凍。

此外，Tessier 團隊將微小的斑馬魚幼蟲冷凍在 -10°C 下 3 天；解凍后，一半的魚可以存活下來并繼續(xù)生長。

加州大學(xué)伯克利分校的 Boris Rubinsky 教授也在低溫生物學(xué)方面有所研究，他發(fā)現(xiàn)，較高的壓力可以限制冰的形成。今年 4 月份，他們團隊將豬心臟在 -4℃ 下冷凍了 21 小時，復(fù)溫并移植后，心臟可以正常跳動。這種策略減少了 CPAs 的使用，限制了毒副作用。

美國農(nóng)業(yè)部食品技術(shù)專家 Cristina Bilbao-Sainz 利用這種方式保存食物，包括在保存菠菜、櫻桃和土豆上均表現(xiàn)不錯，并在 2022 年 12 月份，與一家未具名公司達成合作。

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