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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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                    冷凍器官 沒那么簡單

                    2018-02-14 22:04:00

                      想象一下,如果醫生可以在冰柜中任意挑選腎臟、肝臟和心臟來進行拯救生命的行動,這將會是一種什么樣的情景?但要實現這一美好愿景,又該克服多少困難和障礙呢?

                      事實上,假如你需要一個新的腎臟、心臟或其他重要的器官,你不會有很多的選擇機會,這是因為移植器官的供需之間存在著巨大的鴻溝。

                      以2013年的美國為例,這年共實施器官移植手術26517例,但還有12萬以上的患者在苦苦等候,原因其實很簡單:沒有足夠的捐贈器官。更糟糕的是,取自捐贈者體內的器官無法長時間保存,目前最好的辦法是,在略高于零攝氏度的條件下將捐獻者的器官置于某種特殊溶液中,如此可以保存一至兩天,但很可能因在這段時間里找不到與捐贈器官相匹配的患者而白白浪費掉。

                      如果科學家能找到深度冷凍而不損傷器官的辦法,就有可能將器官的保存期限延長到數周甚至數月。為此,美國奇點大學孵化實驗室建立的慈善機構“器官保存聯盟”,提供了數百萬美元的獎金以激勵人們從事這方面的研究。如果研究能夠取得突破,未來做移植手術的外科醫生,也許就可以方便地在冰柜中挑選合適的器官了。

                      冷凍保護劑作用有限

                      目前科學家已可成功冷凍保存少量人類細胞,比如將卵子或晶胚(人尚未成形時在子宮的生命形式)浸在一種冷凍保護劑(低溫保護劑)中,以防止冰晶形成、細胞撕裂以及致命的萎縮。遺憾的是,科學家在用更復雜的組織和器官進行實驗時,發現它們更容易形成冰晶,造成損傷。一部分研究人員并未因此放棄,自然界的一些線索給了他們鼓舞和啟發。例如,他們發現,南極有一種銀魚,也叫冰魚,可在零下2攝氏度的寒冷水域中生存,它們體內的抗凍蛋白(AFPs )可降低體液的冰點,并與冰晶結合阻止其在體內蔓延。研究人員將老鼠心臟浸在含有銀魚抗凍蛋白的溶液中時,在零下幾度的溫度下老鼠活體可保存24小時。但在更低的溫度下會產生相反的效果,導致剛嶄露頭角的冰晶形成鋒利的尖刺,刺破細胞膜。研究人員在阿拉斯加的一種甲蟲體內還發現了另一種能承受零下60攝氏度低溫的防凍化合物,這可能具有更大的實用價值。

                      但光靠防凍劑成分本身還不行,因為冰凍還會通過影響體液的流動破壞細胞。冰在細胞之間的空隙內形成后,體液體積會減少,溶解鹽和其他離子的濃度則會提高,細胞中的水分會被迫流出,最后導致細胞皺縮,死亡。

                      用于卵子和胚胎的冷凍保護劑——甘油等化合物可以取代水,預在細胞內形成冰晶,還有助于防止細胞皺縮和死亡。但缺點也顯而易見,這些化合物對于其他一些機體組織和器官起不到同樣的作用。冰晶更容易滲進這些機體組織的細胞組織內,即使細胞能保存下來,細胞之間空隙形成的冰晶也會破壞維持器官功能的細胞外結構。

                      ?;夹g前景可觀

                      解決冰晶危害的方法之一是及早阻止其發生??茖W家開發的一種“?;奔夹g,可將冷凍組織變成無冰的玻璃狀物質。這一方法已被一些生育診所采用,在復雜組織的冷凍保存中?;夹g也取得了一些令人鼓舞的成果。

                      例如,2000年,美國南卡羅來納州查爾斯頓細胞和組織研究機構的邁克·泰勒和他的同事?;囊欢?厘米長的兔子靜脈血管,在加溫后恢復了大部分功能。兩年后,美國加利福尼亞州一家低溫保存研究公司“21世紀醫學”的格雷格·費伊和他的同事也取得了重大的突破,他們?;耐米幽I臟在保持零下122攝氏度10分鐘之后,解凍移植到一只兔子身上,這只兔子存活了48天后被解剖研究。

                      “這是重要器官冷凍保存后移植存活的首次嘗試,”費伊說,“證明了器官冷凍保存是可行的?!钡@個經過冷凍保存的腎臟,功能顯然不如健康的腎臟,主要原因是器官內的髓質吸收冷凍保護劑的速度太慢,這意味著在解凍過程中還會形成一些冰。之后,費伊團隊的研究取得了更進一步的成果,在2013年低溫生物學學會的年會上,費伊介紹了讓髓質加速吸收冷凍保護劑的辦法。

                      盡管費伊對器官冷凍保存的前景表示樂觀,但較大型器官的?;匀淮嬖谠S多足以令人望而止步的挑戰。

                      首先,需要高濃度的冷凍保護劑,其濃度至少是常規冷凍劑的5倍。但如此高濃度的冷凍保護劑,對它們本應保護的細胞和組織反倒會有毒害作用。冷凍保存較大組織和器官的狀況更糟,因為需要加載化合物的時間更長,冷卻時間更慢,與毒素接觸的機會也更多。此外,如果冷卻過快,或溫度過低,它們還有可能會出現裂隙和裂痕。

                      其次,解凍是一個微妙的過程,會帶來更多的障礙。如果?;瘶颖静荒苎杆偕郎?、均勻升溫,?;瘯芸熳兂删w化,則器官在“脫玻作用”的過程中又會發生開裂?!斑@是一個我們目前還無法應對的挑戰,受到無法快速勻質解凍的制約?!泵髂崽K達大學的低溫生物學家約翰·比斯科夫說道。

                      尋找控制凍融的途徑

                      發展器官冷凍技術需要依賴反復試驗。在對溶液和冷凍解凍的組合方式進行測試中,可利用新技術觀察冰在細胞和組織內的行為。如果能夠詳細了解這一過程,就有望設計出更有效的方法來控制它們。

                      例如,賓夕法尼亞州維拉諾瓦大學的延斯·卡爾森,利用一種可獲得較大組織高分辨率全色熱成像的新設備,錄下了冰穿透緊密相連兩個細胞之間的小囊,然后促使形成結晶的一段超慢動作顯微視頻。通過這個視頻,研究人員可以更好地觀察了解冷凍過程。

                      研究人員試圖找出控制凍融過程的方法,而不是依靠?;饔脕砝鋬霰4嫫鞴?。通過計算機模擬冷凍過程,可進行數以百萬計的有效測試?!拔覀冃枰@些先進工具來加速進展?!笨柹f道。

                      目前無冰低溫技術可用于保存一些較小的組織,如一段血管?!叭祟惼鞴俚睦鋬霰4媸俏覀円鎸Φ南乱粋€挑戰?!碧├照f道。但他有一個清醒的認識:“沒有任何一種低溫保存技術可為細胞提供100%的生存率。對于某個器官來說,在冷凍保存和移植后,還要面對大量的損傷修復工作?!边@意味著,無論冷凍樣本保存得多好,都無法與即時獲得的器官相提并論。

                      冷凍技術前景再可觀,與冷凍食品一樣,終究還是新鮮的好。不過冷凍食品的確給我們帶來了種種便利。未來的科技力量,或許也能讓冷凍器官不再是難題,為我們進行各種器官移植提供便利。

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