制作可乐冰沙的原理，能让“超冷冻”的心脏复跳？

点击上方蓝字“返朴”进入主页，可关注查阅往期文章

长久以来，心脏保存是个难题，零度以上保存时效太短，零度以下人体组织又会被冰晶破坏。科学家一直试图破解这个两难的局面。而现在，他们找到了一条出路。

撰文 | 栗子

等容过冷用的容器示意图丨图片来源：Anthony Consiglio, UC Berkeley

心脏一旦脱离人体，通常保存不了多久。利用现有的冷保存技术，心脏细胞的功能会在4小时后开始衰竭。如果把这样的心脏移植给患者，器官出现功能异常的风险便大大增加。由于时间限制，捐献的心脏中大部分都无法及时移植给需要的患者，只有被丢弃。
但如今，加州大学伯克利分校的科学家，找到了一种能让心脏组织保存更久的办法，使得心脏组织在零度以下储存3天后，还能成功复苏。他们的研究成果发表在《通讯生物学》（Communications Biology）期刊上。
温度虽低，却不结冰
那要把物体保存在零度以下的环境，都有怎样的方法？传统的冷冻方法又叫“等压冷冻”（isobaric freezing），就是把物体放在气压恒定的地方冷冻，比如一个标准大气压下面：当温度降到零度以下，水会开始结冰。可是冰晶会破坏细胞结构，让人体组织受到伤害，不利于活体器官的保存。那么，怎样才能实现既让温度降到冰点以下，又不让组织结冰？
冰比水的密度小丨图片来源：Johnathon Choate
当水结成冰，体积会膨胀。但如果在一个坚硬的容器中充满水，排尽里面的气泡，再将容器放进冷冻室，由于没有多余的空间留给水去结冰，于是，冰点以下的水也能保持液态。这样就可以避免冰晶破坏人体组织。
这种操作叫做“等容过冷”（isochoric supercooling）。你也可以做到类似的事，比如把一瓶摇过的可乐放进冰箱的冷冻室，几个小时后便会得到一瓶“超冷冻”可乐。
“超冷冻”可乐丨图片来源：The Sci Guys
它原本没有结冰，但假如摇晃瓶身，就会发现里面的可乐迅速凝固：当二氧化碳气泡释放出来，与液体部分充分接触时，冰晶就在气泡周围形成了。当然，伯克利的科学家们关心的不是“超冷冻”可乐能不能做成冰沙，而是“超冷冻”心脏能不能保留它原本的功能。
保留哪些功能才算成功？
于是，科学家诱导人源性的干细胞形成心脏组织，它们能像真实的心脏那样跳动，且跳动的节律也与人类心律接近。这样的组织也称作“心脏微生理系统”（MPS）。与此同时，刚性容器里已经装满了器官保存液。把跳动着的心脏微生理系统放进容器并密封好，几乎不留气泡，就可以开始执行“等容过冷”操作了。

心脏组织的过冷保存，瓶中灰色为心脏组织，蓝色为保存液 图片来源：doi: 10.1038/s42003-021-02650-9

他们把容器放进-3°C的环境里，等到24小时、48小时和72小时后，分三批将组织取出，放在接近人类体温的37°C环境中，看有多少块心脏组织能够复跳。结果显示，曾经在-3°C停跳的心脏微生理系统，大多数都恢复了跳动。具体来说，24小时后取出的心脏组织样本中，有65%能恢复正常的自发搏动。48小时后和72小时后取出的心脏组织，分别有50%和55%恢复了正常的自发搏动。

蓝色为恢复正常自发搏动的心脏组织样本，灰色为部分恢复自发搏动的样本，其他样本未能恢复自发搏动 图片来源：doi: 10.1038/s42003-021-02650-9

科学家认为，这样的成功率在心脏复跳方面算是相当高了。考虑到心脏组织之间还有个体的差异，以及整个过冷操作都没有使用冷冻保护剂，这样的结果就更令人鼓舞。
不过，自发跳动只是心脏组织功能的一部分。除此之外，研究团队还要测试保存后的心脏组织对外部电刺激的反应。假如你听说过心脏起搏器，它的原理就是用电极刺激心肌，促进心肌收缩。而这次，科学家也为过冷后的心脏组织插上电极，查看它们的表现。
结果发现，被插入起搏电极的心脏组织中，大多数（50%-70%）作出了正常反应。此处的正常，指的是这些心脏组织和未经过冷的对照组，在接受电刺激时表现相近。第二项测试结束，又有第三项。合格的心脏组织，应当对一些治疗心脏的药物有所反应。科学家想知道，过冷后的心脏组织能不能产生这类反应。于是，他们用1微摩尔/升的异丙肾上腺素作为考题，这是一种用来增加心率的药物。
实验显示，过冷保存后取出的心脏组织暴露在药物之中，心率有了显著提升。虽然心率提升的程度与对照组有些差距，但研究人员并不能确定这个差距究竟是由过冷保存导致的，还是与心脏组织之间的个体差异有关。

24小时后与72小时过冷后取出的心脏组织，暴露在药物中，心率有明显提升 图片来源：doi: 10.1038/s42003-021-02650-9

经过各项测试，科学家终于确认等容过冷后的心脏组织还能恢复基本功能。另外，免疫荧光染色实验也证实，这种低温保存方法并没有损失心脏组织的结构完整性。团队相信，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。
远距离传送心脏
现有的心脏保存技术，标配是把停跳的心脏放进保存液当中冷却，通常只能保存4-6小时。所以长久以来，待移植的心脏都很难承受远距离传送，比如一位身在东南沿海的捐献者，他捐献的心脏可能无法用在西部省份的病患身上。假如有一天，等容过冷技术能将心脏储存24-72小时，且保证基本功能正常运行，心脏移植的时间窗口便能得到大大延展，让更多有需要的患者获得生的机会。这项研究是一次关键的概念验证。不过一小块心脏组织可以复苏，还不代表一整个心脏也能复苏。科学家接下来要做的事，就是把技术适用的范围从组织扩大到器官，让等容过冷心脏早日投入临床。

参考链接

[1] https://www.nature.com/articles/s42003-021-02650-9

[2] https://engineering.berkeley.edu/news/2021/09/cold-hearted-science/[3] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5724041/[4] https://www.livescience.com/how-long-can-donated-organs-last-before-transplant.html[5] https://www.youtube.com/watch?v=cIiyuT-ogzo

本文经授权转载自微信公众号“环球科学”。

相关阅读

1  

近期推荐

特 别 提 示

1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。

2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。

收不到推送了？快加星标！！

长按下方图片关注「返朴」，查看更多历史文章

微信实行乱序推送，常点“在看”，可防失联