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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    凍結人體 為生命按下“暫停鍵”

                    2018-02-12 22:29:00

                      冬眠是動物的一種極端生存技巧。研究發現,人類偶爾也會冬眠,這有助于避免或減輕危及生命的傷害。

                      想象一下,受傷嚴重的你被匆匆送進急診室,醫生還來不及幫你修復傷口,此時你血管里的血液正從破裂的傷口處悄悄流失,失血讓身體器官得不到至關重要的營養與氧氣供應,你即將進入心臟驟停狀態。但你的生命并沒有就此結束,因為你的身體開始連上了各種管子,機器呼呼響著,冰冷的液體流過你的靜脈,你的體溫降到冰點以下。最終,你的心臟停止了跳動,你的肺不再呼氣吐氣,你的生命似乎也凍結在了靜止的時間里。此時的你游離在生與死的邊緣,你既不是完全活著,也并非徹底死亡。

                      如果一切順利,未來有一天你將會蘇醒過來,并繼續活下去。

                      歷史上的人類冬眠與低溫幸存故事

                      假死,是一種人的生命過程暫停的現象。20世紀50年代的太空競賽極大地激發了人們對這一研究領域的興趣,美國宇航局(NASA)也投入了大量資金研究人類是否能進入“人工冬眠”狀態。人們希望,這種狀態下的宇航員可以避免遭受太空飛行中強大宇宙射線帶來的危害,同時因為冬眠時無需進食與呼吸,能減少食物、水和氧氣的攜帶量,便于宇航員度過漫長的太空旅途。

                      當時,一位年輕的科學家詹姆斯·洛夫洛克用倉鼠進行了冷凍實驗。他的實驗方法是將倉鼠冷卻到身體變得僵硬,檢測不到心跳后,再將一個熱茶匙放在它們胸部,讓其體溫慢慢升溫,同時用無線電配件做的微波槍將倉鼠慢慢“復活”。但這些早期實驗一直沒有超出動物研究階段,并未觸及人類。人類在冬眠中進行太空旅行的夢想仍然停留在科幻小說的范疇內。隨著太空競賽的終結,美國宇航局對這方面的研究興趣大減,但人體冷凍研究的種子已然在洛夫洛克和他的同事們的心中播下,并發芽生長起來。

                      1900年,《英國醫學雜志》刊登了一位俄羅斯農民的故事,稱他可以像動物一樣“冬眠”。無獨有偶,傳聞普斯科夫東北部地區的居民,在第一場雪即將到來之前,就會蜷縮在屋里,圍坐在火爐邊,陷入一種被當地人稱為“lotska”的深度沉睡狀態中:每天醒來一次,就著水吃一些硬面包,家人輪流看著火,直到春天到來時他們才會完全醒來。但這只是傳聞,會冬眠的普斯科夫人從來沒有在世人面前出現過。

                      一個世紀后,一位名叫安娜·巴吉霍爾姆的瑞典放射學家,在挪威滑雪度假時,一頭栽進了一條冰凍的溪流中,然后被困在了冰中。當救援人員趕到時,她已在冰中被困了80分鐘,心跳和呼吸都停止。醫生測量她的體溫僅為13.7攝氏度,這是歷年意外事故受害者中體溫最低的,所有的跡象都表明她已經死了。

                      然而,在重癥監護室里經過醫護人員10天小心翼翼地復溫搶救,安娜奇跡般地醒了過來。正常情況下,人類被困水下幾分鐘便會溺亡,而安娜被困水下一個多小時卻活了下來,恰恰是冷凍保住了她的生機。

                      早在拿破侖時代,就有醫生提出了冷凍對于修復人體創傷的好處。有醫生發現,留在寒冷室外的受傷士兵比在帳篷里靠近火堆的受傷士兵的存活率更高。如今低溫治療在醫院里已很普遍,多用于輕各種緊急情況對患者的傷害,諸如各種術后恢復及幫助難產嬰兒出生后的恢復等。

                      動物如何進入低體溫冬眠

                      降低體溫可減緩身體的新陳代謝活動,溫度每下降1攝氏度,身體活動量就會減少5 %~7%,同時身體消耗氮氣等基本營養素的速度也會相應降低,由于失血或心臟驟停導致缺氧的身體組織由此得到一定的保護。從理論講,如果體溫一直下降,最終生物過程會完全停止,人體開始進入一種假死狀態。此時的人體,就像暫時停止走動的時鐘,身體完全沒有問題,所有的內部“組件”仍然完好無損,只是暫時處于靜止狀態,只要稍許加熱,就能重新動起來。

                      當然,這只是理論,實踐起來并不簡單。低體溫本身就是很危險的一件事,因為人體需要保持一定的溫度,人類終其一生體溫都維持在一個相當恒定的溫度——37攝氏度左右。維持體溫可不輕松,身體必須持續不斷地調整,讓產熱與散熱保持平衡。如果體溫下降過度,身體皮膚處的血液就會涌向軀干中心,此時你會不自覺地顫抖著縮成一團;當體溫降至約33攝氏度時——僅低于正常體溫4攝氏度——心臟開始顫動;低于25攝氏度時,心臟就有完全停止跳動的風險。即使躲過體溫過低風險的幸存者,在身體漸漸恢復溫暖后,也有可能留下腎臟損傷等后遺癥。

                      但是,某些動物卻能夠承受更低的溫度。北極有一種地松鼠,通常情況下保持與人類相似的體溫,但進入冬眠后,可在身體中心溫度低至零下3攝氏度時生存,而且體液不被凍成固體。那同樣的低溫為何會導致人類死亡?希望解開人類假死秘密的研究人員可謂傾注了心血。

                      在20世紀90年代,格羅寧根大學醫學中心(UMCG)的亨寧與他的團隊就開始了人類冬眠實驗,并于 6 年前成立了專門的研究小組。模仿動物冬眠有許多實際用途,比如失血是造成患者手術過程中死亡的主要原因,但在低溫狀態下,冬眠動物受傷后幸存下來的幾率要比正常體溫狀態下高得多,因為較低的代謝率可更好地起到保護身體組織的作用,低溫狀態下的心臟泵血量也比正常體溫狀態下少得多。

                      許多動物能放慢新陳代謝的速度,包括昆蟲、兩棲動物、哺乳動物、鳥類和魚類等動物,都可以進入長期休眠的低能耗狀態,即所謂的冬眠。一些小動物,如老鼠、倉鼠和蝙蝠則可以通過節省能量消耗,安然度過饑寒交迫的冬天。

                      雖然表面看起來,冬眠就像是睡了一個很長的懶覺,但實際上冬眠并不簡單。為忍受長期的低體溫、饑餓和易感性的痛苦,冬眠動物體內會發生保護大腦和身體的一系列適應性變化。

                      進入冬眠之前,動物會吃得非常胖。但與人類不同的是,肥胖并不會導致它們的動脈壁增厚而引發心臟病。一些物種會在冬眠前兩到三個星期前停止進食,在保持日?;顒拥耐瑫r,承受著忍饑挨餓的痛苦。

                      人類躺上一個星期,肌肉會開始萎縮,形成血栓,冬眠動物卻能忍受幾個月的不食不動。冬眠期間,生活在動物體內的腸道微生物也同時要忍受寒冷和突然的食物匱乏,冬眠動物的肺會變得像哮喘患者那樣,覆蓋上厚厚的粘液和膠原質,它們的大腦也會呈現出與早期阿爾茨海默氏癥相類似的變化,有些物種還會在冬眠中失去記憶。最令人驚訝的是,有些動物在漫長的冬眠后,居然會表現出一些睡眠剝奪的癥狀。但是,冬眠動物們能夠很好地應對所有這些問題,待到春天到來時,它們又會重新恢復生龍活虎的狀態,通常不會產生任何長期不良影響。

                      動物冬眠沒有血栓的秘密

                      在格羅寧根大學醫學中心(UMCG)的動物實驗室里,亨寧的博士生愛德溫·德弗里伊和他的同事正在照顧一只躺在冰床上的老鼠。一臺呼吸機為被麻醉的老鼠提供穩定的呼吸。十幾根細管子和電線為老鼠提供維持生命的液體,同時獲取寶貴的數據。一臺機器中緩緩吐出的打印數據顯示,老鼠的心率從每分鐘300次一直下降到了每分鐘60次,身體內部溫度從20多攝氏度下降到了15攝氏度。作為和我們人類一樣的非冬眠的動物,沒有輔助醫療手段,老鼠無法在深度低體溫狀態下存活下來。這主要是由于隨著體溫的下降,它的神經脈沖活動會放慢,肌肉變得僵硬,呼吸也會變得困難。

                      除了在數周時間內,逐步調控室內溫度模擬冬季漸漸來臨,誘導倉鼠進入冬眠狀態之外,UMCG團隊還進行了強制性快速降低體溫,令血小板(圖中粉紅色)具有重要的凝血作用,對于動物冬眠中的生存也起著重要作用。

                      老鼠迅速進入新陳代謝暫停狀態的實驗。

                      冬眠動物不活動,卻能避免出現血栓,主要是它們進入低體溫狀態后,血液中的血小板會消失。血小板去哪兒了?沒有人知道,但在溫度恢復后它們又會突然出現。因此德弗里伊確信,它們一定是保存在身體里的某個地方,而不是被吸收掉了。

                      不同的冬眠動物都存在這種現象,意味著它們很可能從共同的祖先身上繼承了這種應對寒冷、饑餓和窒息的保護機制,并最終形成一種綜合性的低代謝功能。甚至有跡象表明,人類在某種程度上也具有某些相似的能力。2004年,研究人員發現一種馬達加斯加的狐猴也會進入短期冬眠狀態。狐猴與人類有98%的基因是相同的,冬眠的奧秘也許就在這2%的差異里面。

                      了解冬眠動物如何控制血液中血小板的變化,對人類健康有著直接和深遠的益處,例如提高由于低體溫和寒冷導致假死的生存能力,方便冷凍運輸移植器官,以及延長血庫中血液的保存期等。

                      在一次偶然事件中,UMCG團隊在這方面取得了很大的進展。一個學生將倉鼠細胞培養液放進冰箱,一個星期后發現倉鼠細胞還活著,并且散發出一股臭雞蛋味。用于低溫保存的一些化合物中有一種被稱為胱硫醚β合成酶的酶(CBS),會刺激生產硫化氫分子,從而產生這種特殊的臭雞蛋味。給倉鼠注射抑制CBS的化學物質,它們就不會進入冬眠狀態。如果此時還要強制其進入低溫狀態,就像人類進入低溫狀態時一樣導致腎臟受損。

                      受此啟發,亨寧的團隊發現了幾種可為細胞樣本提供長期冷凍保護的化合物。團隊已為其中一種化合物 Rokepie 申請了專利,它可以使通常需要在37攝氏度下維持生存的細胞,比如人類或老鼠的細胞,安全地儲存在冰箱里。

                      低溫保存爭取“黃金一小時”

                      在緊張忙碌的急診病房里,出血不止導致失血過多的傷者隨時都可能會心臟驟停,外科醫生必須先為傷者止血;有些傷者送來時就已經奄奄一息,醫生要做的就是盡快止血,同時找到出血原因加以醫治。醫生總是在與時間賽跑。山姆·蒂什曼教授想要為醫生爭取到更多搶救生命的時間。他認為,通過誘導傷者進入低體溫狀態,就可以幫助外科醫生爭取到寶貴的“黃金一小時”,為此他努力研究探索如何讓人類耐受遠超出正常的低體溫,他畢生的目標是“拯救那些心臟和大腦還很年輕的瀕死患者”。

                      為此,蒂什曼教授進行了低溫保存和復蘇的開創性研究。他的研究得到了美國陸軍遠程醫療與先進技術研究中心的支持,他們為他的研究課題提供研究資金。蒂什曼手下的外科醫生已經掌握了嫻熟的低溫保存技術,在一些需要零血液流動的手術中,心臟外科醫生甚至可將患者的體溫降至約15攝氏度,在這個溫度下,心臟會暫時停止跳動。

                      蒂什曼的計劃是,將患者體溫降至更低,讓身體進入假死狀態,此時患者將沒有心跳,沒有呼吸,也沒有明顯的腦部活動。事實上,他們的血液也將被抽干,代之以冰冷的生理鹽水,這是目前快速降低人體溫度以避免機體組織損傷的唯一辦法。蒂什曼將這種狀態稱為“低溫保存”。蒂什曼的計劃在實驗室里獲得了成功,他們將進入冷凍狀態長達三小時的狗成功復蘇,進入臨床試驗階段后,麻省綜合醫院還對外科醫生和麻醉師等進行了這種開創性手術的培訓。

                      在未來,緊急保存和復蘇技術可極大延長心臟病和中毒處理手術等的急救時間?!袄鋬鍪且种拼x最有效的辦法。如果研究人員可以減少機體組織的需求,或提高機體組織的輸氧能力,那就沒問題了?!钡偈猜f道。

                      雖然實驗室動物可在進入假死狀態三小時后“復活”,但臨床實驗中的人類患者進入深度冬眠狀態的時間最多只能維持一個小時。不過,蒂什曼說:“一個小時應該足夠醫生進行止血處理了,冷凍并不一定要覆蓋整個手術過程?!钡z憾的是,對于那些要進軍遙遠星球的宇航員來說,所需要的冬眠時間遠非目前的人體冷凍技術所能企及的?!拔覀冃枰氖且环N能夠讓人類在足夠長的時間里生命暫停的冷凍技術?!钡偈猜χf道。

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