人体低温保存:通向未来“永生”的船票?

2017-12-06 窦蒙家、张明宽等 知识分子 知识分子


前言:

     人体低温保存作为一种可能实现“复活”的新技术,受到了越来越多的关注。就目前的技术而言,人体低温保存更像是一张未来才能兑换的支票,因为人体复温是一个极其复杂的过程,当前的技术手段无法使复温后的人体恢复如初。随着诸如纳米技术、仿生型低温保存技术等新科技的涌现,人体低温保存的技术瓶颈有望在未来被攻破。




撰文 | 窦蒙家、张明宽、饶伟、刘静


古代能够轻易夺走生命的伤寒,现在只需要几粒药丸便能治愈,医学的发展使得许多“不治之症”成为过去,但是如何才能让已经处于生命边缘的人吃到“未来之药”呢?人们求助于人体低温保存技术。2017年5月,因患肺癌离世的展文莲在山东齐鲁医院和银丰生命科学研究院的共同协助下完成了中国第一例人体低温保存,期望将来通过一定的科技手段“复活”,重新获得健康


何谓人体低温保存

低温生物学是一门研究低温条件下(0℃以下或者接近0℃)生命现象以及生物体保存的科学。1949年,英国生物学家波尔热(C. Polge)和史密斯(A. U. Smith)偶然发现精子在甘油溶液中可以经历低温冷冻而不死亡,使低温保存作为低温生物学的一个重要研究方向登上历史舞台。低温保存是指将活的生物体(细胞、组织、器官,甚至活的生物有机体)采用特殊的方法冷却到非常低的温度(一般为-80℃/-196℃),并短期/长期保存,待需要时,再将生物体按特殊的方法解冻,恢复到正常温度,获得正常生命体征的生物体。低温可以抑制生物体的生化活动,使其可以在低温下长期保存。按照阿伦尼乌斯公式(Arrhenius equation)估算温度对生化反应速度的影响,若一生物体在4℃下能存活2小时,则其在-40℃下可保存数日,-80℃下可保存数月,-196℃下甚至可以保存几个世纪。在-196℃的低温下,生物体代谢基本停止,避免了由遗传引起的生物变异。


随着科学技术的发展,越来越多的人希望通过人体低温保存技术得以“永生”。患有现代医学无法医治疾病的人希望通过在低温下保存自己的身体(通常在-196℃液氮中),在未来医学发达的时候能够成功复温并使自己的疾病得以治疗,再次获得生命。1967年,美国心理学家贝德福德(J. Bedford)成为世界上第一个被低温保存的人;2015年我国作家杜虹在美国Alcor生命延续基金会(Alcor Life Extension Foundation)通过低温保存了大脑,是首例我国公民接受低温保存的案例;2017年5月,我国首例人体全身低温保存手术由银丰生命科学研究院完成。截至2017年8月,作为全球最具代表性的两家人体冷冻公司:美国Alcor生命延续基金会和美国人体冷冻机构(Cryonics Institute)已经分别冻存了152 [1]和153 [2]名客户。但是,目前全球范围内尚未有一例冻存后的人体成功复温,并重新获得生命的案例


人体低温保存方案


不同冷冻速度下的细胞低温保存[4]

根据美国Alcor生命延续基金会的人体低温保存方案 [3],理想情况下,在人体心脏停止跳动后,等候的工作人员迅速利用生命支持技术来维持其脑活力。这些生命支持技术包括在将人体置于冰水浴中(低温抑制新陈代谢)的同时,人工恢复其血液循环和呼吸,为大脑提供氧合血的同时增强冷却;通过静脉注射施用包括自由基抑制剂、抗凝血药、升压药等保护性药物以保持血压,改善循环,抑制血液凝固并保护大脑。当体温降低到接近水的冰点时,进行冷冻保护剂灌注。在此之前,为清洗血液,在0℃以下将一种基础灌注液注入人体血液循环系统中,循环数分钟。为使渗透压最小,以及提供足够的时间使冷冻保护剂渗透到细胞内,在接下来的两个小时内,将冷冻保护剂的浓度以线性速率增加到目标浓度的一半,并注入血液循环系统中。最后,在1个小时内,迅速把冷冻保护剂的浓度增加到目标浓度。灌注冷冻保护剂后,系统在计算机控制下,将人体在3个小时内冷却至-124℃,以避免冰晶的形成。在接下来的两周内,人体被进一步冷却到-196℃,并被转移到液氮中进行长期保存


人体低温保存的技术瓶颈

生物体虽然能在低温下长期保存,但是在冷冻和复温过程中非常容易受到损伤,而这个损伤基本上发生在-60℃~0℃这段温度范围内。根据低温物理学家梅热(P. Mazur)等人提出的“两因素假说”,常温下,细胞内液和细胞外液处于等温和等渗的状态,但在冷冻和复温过程中,由于传热和传质速率的不同,会造成细胞冰晶形成的大小、形状、位置等的不同,从而对细胞造成“溶质损伤”或“胞内冰损伤”。冰晶会刺穿、挤压细胞膜、细胞器等,并且胞内冰的形成使细胞内电解质浓度升高,pH变化,进而引起部分蛋白质的变性以及溶酶体的损伤,最终导致细胞死亡。所以,在不同的生物体低温保存过程中,需要获得其“最佳冷冻速率”。该速率既可以防止胞内冰形成,又能将“溶质损伤”降到最小,以提高细胞低温保存后的恢复率。


为减少0℃以下冰的形成对生物体的机械损伤,冷冻保护剂常被配制成一定浓度的溶液。甘油是人类最早发现的冷冻保护剂,在早期的冷冻方案中常见到。但是由于其渗透速率慢,冷冻效果不理想,已逐渐被取代。二甲基亚砜(DMSO)是第一种用于人类胚胎保存的冷冻保护剂,其渗透速率快,可以快速穿透细胞膜进入细胞内,降低冰点,延缓冻存过程,同时提高细胞内离子浓度,减少胞内冰晶的形成,从而减少细胞损伤。深低温时DMSO的细胞毒性受到抑制,但是当高于4℃时,长时间暴露于DMSO中会对细胞造成损伤且DMSO会诱导干细胞分化 [5]。目前研究者正致力于发展慢速冷冻—快速解冻方案中可以替代DMSO的冷冻保护剂。比如,海藻糖对生物抗脱水、抗冷冻、抗高渗有积极作用,对生物膜、蛋白质和核酸等生物大分子也发挥着保护的功效;脯氨酸不仅能够稳定生物大分子结构,降低细胞酸性,调节细胞氧化还原电位汇,而且作为细胞的渗透型冷冻保护剂,能够降低冰点,防止细胞脱水 [6]。所以,寻找生物友好型冷冻保护剂及合适的冷冻保护剂组合对于生物体的成功低温保存及复苏是极其关键的。


冷冻方法主要分为标准程序化冷冻和玻璃化冷冻。近些年,玻璃化冷冻由于在保存过程中不产生冰晶,受到了越来越多的关注。它是一种利用高浓度冷冻保护剂溶液的超速冻存生物体的方法,实施冷冻保存过程中快速降温及升温,才有可能实现成功的玻璃化冷冻。目前该技术在细胞尺度上可以较为成功地实施。但是当生物体体积增大时,实施起来就会有较大困难。由佩内斯生物传热方程(Pennes bio-hent equation)可知,当血液灌注率及人体代谢产热停滞时,热流密度正比于热导率和温度差。由于人体组织导热率较小,若使大量冷量快速传输到人体,就一定会产生较大的温度差,最终造成生物体内部温度梯度增大,进而引起冰核的形成和生长。此外,复温时,在大体积的生物体中极易引起重结晶。塞基(S. Seki)研究表明,对于实行玻璃化冷冻的生物材料,在复温过程减少再结晶的方法之一便是提高复温速率,减少冷冻保护剂在重结晶危险温度区域停留的时间,使冷冻保护剂从玻璃化状态直接转化为液态。但是,同样由于人体体积与热导率的特点,这一点实现起来困难重重。可见,在冷冻与复温过程中所遭受的双重破坏下,组织、器官及人体的低温保存是极其困难的


相对于细胞、组织、器官来说,人体的生命结构更加复杂。尤其像人脑这样复杂的结构,有1000亿个神经元及1万个神经连接,冷冻保存时极易受到损伤,低温保存后的大脑所拥有的记忆是否能够保存也未可知。


低温保存发展现状

卵巢组织玻璃化冷冻前后比较 (a)玻璃化冷冻前;(b)玻璃化冷冻后[8]

组织玻璃化冻存后对流传热加热和纳米加热[9] (a)获取人体组织;(b)将人体组织在液氮下进行冷冻保存;(c)和(e)取出冷冻组织,准备复温;(d)采用传统的对流传热方法进行复温;(f)在冷冻保护剂中加入氧化铁纳米颗粒进行复温。


人体结构由微观到宏观可以分为细胞、组织、器官、系统与人体五个层次,低温保存的终极目标是实现人体长期的低温保存并复苏。就目前的科技水平而言,实现这一目标任重而道远,但低温保存领域仍有着广泛的应用。


细胞低温保存已经在医学中发挥着重要作用。例如,人类卵母细胞冷冻作为生育力保存的途径之一,已经在辅助生殖技术中扮演着不可或缺的角色。而卵母细胞的冷冻技术,特别是冷冻方式和冷冻保护剂,经过多年的发展取得了较大的进步。越来越多的实验研究表明,玻璃化冷冻具有更好的冷冻保存效果,格卢约夫斯基(D. Glujovsky) 等人在2014年的研究中,对106名患者进行了随机对照试验,结果显示玻璃化冷冻与慢速冷冻相比具有更高的妊娠率 [7]


构成人体的细胞有200多种,各种细胞间都存在着较大的差异,如每种细胞的体积不同,组织渗透率和导热性能也不同,因此,最佳的冷冻速率和冷冻保护剂也因细胞种类的不同而不同。由多种不同细胞构成的组织具有更加复杂的结构和更大的体积,这无疑增加了组织在冷冻过程中热量传递和保护剂传递的难度,因此组织低温保存相较于细胞低温保存而言,效果较差,难度更大。不过,随着近几十年低温生物传热研究的迅速发展,组织低温保存在医学领域也已能施展一定的“拳脚”。以生殖医学为例,早在2004年,多内(J. Donnez)等人就利用慢速冷冻法保存了一名淋巴癌患者的卵巢组织,并且在解冻后实现了自体盆腔移植,最后使患者成功分娩一名女婴。根据西尔伯(S. Silber) 提供的数据显示,到2016年为止,全球有70多个婴儿依靠卵巢移植技术降生,其中西尔伯小组共进行了13例卵巢冷冻移植手术,最终顺利产下9名婴儿,成活率超过70%[8]


不过,低温保存的“威力”也仅限于此。对于离体器官而言,目前只能实现短期保存,以临床保存经验最多的肾脏为例,用机器持续低温灌洗法仅仅可以安全保存3天。如前所述,样本体积较大时,冷冻与复温过程中热量难以均匀导入,最终导致冷冻与复温的结果并不理想。2017年,比斯科夫(J. C. Bischof)研究团队在冷冻保护剂中加入介孔二氧化硅包被的氧化铁纳米颗粒,通过射频激发加热,使整个样品受热更加快速均匀,成功实现了玻璃化冷冻的最高80毫升物理系统及50 毫升生物系统的复苏。比斯科夫表示,该技术克服了移植医学中的一个重大障碍,或使器官低温保存成为现实,其应用前景非常乐观。目前,动物器官相关实验已在进行中,很有可能在未来7~10年内开始人类器官低温保存实验 [9]。尽管从理论上讲,该技术可以实现整个冷冻器官快速复温,但是还有很多问题需要进一步的实验研究。


经过几百万年的进化,许多生物体已经具有忍受机体冻结的能力。例如,阿拉斯加木蛙(Rana sylvatica)已被证实可以在低至-16℃的温度下冻结,并在-4℃下忍受2个月的冻结期 [10]。当面对寒冷刺激时,南极线虫(Panagrolaimus davidi)能产生稳定细胞膜的海藻糖及抑制重结晶的蛋白质,最高可以耐受高达82%体液的冻结 [11]。这些现象拓宽了研究人员的思路,即通过研究自然界中能忍受冻结的生物体所采用的生物学机制,寻找更好的冷冻保护剂及低温保存方法。早在十多年前,就有科学家提出,将冷冻保护剂进行活体加载,人为地使冷冻保护剂参与生物体的生命活动,之后再对其实施低温冻存 [12]。研究人员在研究抗冻生物体合成的抗冻蛋白等生物友好型冷冻保护剂的冷冻保护机制中,从生物体(尤其是抗冻鱼类、昆虫等)中分离提纯抗冻蛋白,用于低温保存领域,取得了较为理想的效果。在2012年的一项研究中,科研人员用富含脯氨酸的食物喂养对寒冷敏感的黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)幼虫,使其组织中积聚脯氨酸,再将这些果蝇进行低温保存实验。结果显示,果蝇在-5℃时,能够忍受大约50%的体液冷冻,并且复苏后其生命活动也没有受到影响 [13]


可以预见的是,借鉴动物天然的耐寒机理,效法自然,发展仿生型低温保存技术,将成为今后突破人体低温保存技术瓶颈的最有前景的方向之一。


总之,人体低温保存技术目前并不十分成熟,尽管有越来越多的人体被低温保存,但是各大保存机构也承认无法兑现复活时间,要成功实现复活不仅要面对宗教、法律、伦理方面的挑战,更受到诸多科学技术的限制。目前不仅需要解决冷冻及复温过程中造成的细胞损伤、冷冻保护剂毒性等难题,还需探索合适的冷冻和复温过程,解决复苏后的生物学问题(如大脑记忆的恢复),一步步地从离体细胞、组织、器官、小动物、大动物的低温保存开展深入严谨的研究,这将是一条漫长的科学探索之路


作者简介:

中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室,窦蒙家,硕士研究生;张明宽,硕士研究生;饶伟,研究员;刘静,研究员。


参考文献:

1.Foundation Alcor Life Extension. Alcor Membership Statistics. 2017.

2.Insititute Cryonics. Cryonics Institute Member Statistics Details. 2017.

3.Foundation Alcor Life Extension. Alcor Life Extension Foundation Human Cryopreservation Protocol. 2016.

4.Martín-Ibáñez Raquel, Hovatta Outi, Canals Josep M. Cryopreservation of Human Pluripotent Stem Cells: Are We Going in the Right Direction?. InTech, 2012.

5.Rao Wei, Huang Haishui, Wang Hai, et al. Nanoparticle-Mediated Intracellular Delivery Enables Cryopreservation of Human Adipose-Derived Stem Cells Using Trehalose as the Sole Cryoprotectant. Acs Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(8): 5017.

6.Zhang Lu, Xue Xu, Yan Jie, et al. L-proline: a highly effective cryoprotectant for mouse oocyte vitrification. Scientific Reports, 2016, 6:26326.

7.Glujovsky Demián, Riestra Barbara, Sueldo Carlos, et al. Vitrification versus slow freezing for women undergoing oocyte cryopreservation. Cochrane Database of Systematic Reviews, 2014, 9(9): CD010047.

78.Silber Sherman. Ovarian tissue cryopreservation and transplantation: scientific implications. Journal of Assisted Reproduction & Genetics, 2016, 33(12): 1-9.

9.Manuchehrabadi Navid, Gao Zhe, Zhang Jinjin, et al. Improved tissue cryopreservation using inductive heating of magnetic nanoparticles. Science Translational Medicine, 2017, 9(379): eaah4586.

10.Costanzo Jon P, Reynolds Alice M, Amaral M, et al. Cryoprotectants and extreme freeze tolerance in a subarctic population of the wood frog. Plos One, 2015, 10(2): e0117234.

11.Raymond Mélianie R, Wharton David A. The ability of the Antarctic nematode Panagrolaimus davidi to survive intracellular freezing is dependent upon nutritional status. Journal of Comparative Physiology B, 2013, 183(2): 181-188.

12.于丽娜, 刘静. 突破生物材料低温保存技术瓶颈的仿生学途径评价. 科技导报, 2005, 23(11): 69-72.

13.Koštál Vladimír, Šimek Petr, Zahradníčková Helena, et al. Conversion of the chill susceptible fruit fly larva (Drosophila melanogaster) to a freeze tolerant organism. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012, 109(9): 3270-3274.


本文刊载于《科学》杂志2017年第6期,原标题为“人体低温保存:通向未来“永生”之路?”,《知识分子》获授权刊发。


制版编辑: 饮水食粮


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