科学家们正试图让死亡的器官复活

[none]

科学家们正试图让死亡的器官复活
国家地理中文网

https://pc.yiyouliao.com/msn/article.ht ... 17K7DTMMUE

耶鲁大学的研究人员在猪死后数小时将其脑细胞置于“苟延残喘”的状态。研究小组的一名成员拿着来自该研究的猪大脑，旁边放着一袋过饱和血红蛋白和一袋有助于减缓细胞死亡的名为OrganEx的蓝色溶液。摄影：MAX ALGUILERA-HELLWEG, NATIONAL GEOGRAPHIC

当耶鲁大学神经科学家Nenad Sestan在一头猪死后数小时，用营养、蛋白质和药物的混合物来复苏它的大脑时，他发现生与死之间的界限并不像他曾经想的那样清晰。他的目标并不是让大脑恢复活力，而是研究大脑的线路。2019年，这一轰动结果一经发表，世界各地的人开始对他实验室的研究非常感兴趣。

“耶鲁大学和其他地方的很多同事来找我们，说，‘我们需要在肾脏中尝试这个，我们需要尝试那个，’”Sestan说。在大家的研究兴趣驱使下，他和团队制定出了一种解决方案，他们将其命名为OrganEx，当OrganEx通过循环系统时，可以恢复死亡一个多小时的动物的多个器官的功能。“我是神经科学家，”Sestan笑着说。“即使是在最疯狂的想象中，我也从来没有想过，我会开发针对肾脏、心脏或其他器官的治疗方案。但器官移植的需求缺口太大，这才真正激励了我们走这条路。”

仅在美国，就有6000多名患者在等待器官移植过程中死亡，每年有70万人死于终末期器官疾病。世界卫生组织估计，全世界需要器官移植的人中，只有10%能够得到移植；然而，由于器官没有得到及时保存，每年都有成千上万的捐献器官被扔进垃圾箱。例如，2012年，美国有2421颗心脏和1634个肺成功移植，但有5723颗捐献的心脏和6510个捐献的肺被浪费。


在耶鲁医学院研究实验室的一间手术室，正上演着一场减慢细胞死亡的实验，一头猪的心脏在死亡时间数小时后开始自发跳动。显示器左侧显示了猪大脑的透视图像，右侧显示的是猪心脏和胸腔的透视图像。

在心脏停止跳动后，必须立即收集器官，以便能够进行移植。由于这个原因，现有的器官捐赠大多数都来自脑死亡的捐赠者——彼时，他们已经在依靠生命维持系统来生存了。一旦这种支撑被移除，器官就会被立即摘掉并保存下来——通常是把它们放在冰上保存，这样可以减缓新陈代谢和细胞死亡。但Sestan的工作成果有一天可能会突破这种限制。“Sestan的团队所做的是为器官“复生”争取时间——这一技术对扩大供体池很重要，”Gerald Brandacher这样表示。他是约翰霍普金斯大学重建移植项目的移植外科医生，他非常熟悉这些挑战。“移植医学所做的一切都是在与时间赛跑——时间是我们最宝贵的资源。”

他们的研究是在猪身上进行的，并于今年8月发表，这标志着心脏、肝脏、大脑和肾脏等多个器官首次可以被拯救并恢复功能——即使是在动物已经死亡一个小时，且没有冷却的前提下。

耶鲁大学内科神经科学家、Sestan团队成员David Andrijevic说，通过一次干预恢复多个器官的功能，可以增加器官供应。比如，在家中死亡，或者遗体不能立即被找回的病人的器官通常会被丢弃，而有了这一技术，他们的器官可能能得到有效利用。


研究人员将猪的器官组织固定在石蜡中，再将样本切成微细薄片，然后将其安装在玻片上。科学家和研究人员使用显微镜对它们进行了检查，寻找死后众所周知、容易识别的细胞变化。

Sestan说:“对我来说，看到我们能够恢复全身的血液循环和细胞真的很惊讶，因为一旦你死亡，生化级联就会开始破坏细胞，阻止血液流动。”“你不能只用抗凝剂处理过的血液进行灌注，这就是为什么以前从来没有这样做过——它根本不起作用。”

这项研究和其他类似的进展已经颠覆了这一领域——改变了我们对细胞和组织如何以及何时死亡的理解，也揭示了保持它们存活的其他方法。

“耶鲁大学的研究小组证明，尸体中的细胞在死后（至少一小时）内不会受到不可逆转的损害，”纽约大学朗格尼分校的重症监护医师Sam Parnia说。“因此，我们没有将这种公认的死亡观念作为生命结束的定论依据，而是认识到，你可能会死，但开发治疗方法让你重返的潜力也是存在的。”

为什么细胞会死亡

与无数医学剧中的描述不同，当心脏停止向全身输送充满氧气和营养的血液时，大脑（和其他器官）不会立即死亡。“相反，这是个更持久的过程，它打开了一扇窗口，我们可以对生命进行干预、或停止这个过程，甚至启动细胞的恢复，”Andrijevic说。

耶鲁大学研究的载玻片包含研究中猪的肺、心脏、肝脏、大脑、胰腺、肾脏的微切片。


该研究的载玻片包含研究中猪的肺、心脏、肝脏、大脑、胰腺、肾脏的微切片（从上到下）。在生命停止数小时后，肾脏组织显示出相对较少的分解或任何死亡迹象。摄影：MAX ALGUILERA-HELLWEG, NATIONAL GEOGRAPHIC

我们的器官之所以能茁壮成长，是因为每个细胞内都有数以千计的小型发电站，称为线粒体，它将食物转化为能量，为基本活动提供燃料——包括呼吸、思考和跑步——同时清除有毒的副产品。但在血流停止（称为局部缺血）后的那一刻，这种平衡发生了变化。线粒体通过不断减少的营养供应而燃烧，并积累最终毒害和杀死细胞的废物。

尽管线粒体通常在氧气的帮助下产生能量，但它们可以切换到效率较低的低氧过程，并在生命活动持续时，动用身体的燃料储备——通常是五分钟左右。当能量水平直线下降、一降到底时，细胞的离子平衡就会被打破，这一平衡是控制细胞间的通讯和能量产生。

“就像一艘需要不断抽水以避免下沉的船一样，细胞也有不断排出钙和钠的泵，”Parnia解释说。然而，如果没有能量为它们提供动力，位于细胞膜中的泵就会失效，钙、钠和水就会涌入。

钙的升高会激活分解DNA的酶，这些酶会咀嚼细胞骨架，再为细胞赋予新结构。高浓度的钙也会触发线粒体自噬或细胞凋亡按钮。“但细胞凋亡是一个平均长达 72 小时的过程，”Parnia说。

与此同时，自由基——像过氧化氢和超氧化物这样的不稳定分子——通过破坏细胞膜和使酶失活而造成严重破坏。

如果心肺复苏术或其他救生措施突然恢复血流，它会引发第二波更具破坏性的破坏：血管渗漏，组织肿胀，细胞死亡加速。

Parnia将这种现象比作地震和海啸后的废墟。废墟虽然是地震造成的，但海啸往往会对它造成最大的伤害。“通过采取抗海啸措施或针对继发性损伤过程的治疗，我们可以挽救大脑功能，从而开辟了一个全新的医学领域，”Parnia说。“耶鲁大学的研究小组非常漂亮地展示了这种现象”——控制血液和氧气如何恢复到组织中，以及它的好处。

然而，临床实践往往落后于科学。Parnia说，包括许多医生和科学家在内的大多数人对死亡的理解都过时了。“我们从小到大都认为死亡是永久的终结——但我们没有意识到，我们这样认为只是因为我们没有治疗方法——它不一定是细胞的永久终结。”他说。

挽救死亡器官的新方法

为了证明细胞和器官可以在超越人们认知范围的更久之后恢复，耶鲁大学的研究小组在猪身上诱导了心脏骤停——选择猪是因为它们与人类具有相似之处，比如体型——然后把猪的尸体放在手术台上室温下放置一个小时。

一小时后，研究人员将静脉注射到猪身上，并向循环系统中注入一种宝蓝色的溶液——有机氧化合物。据Andrijevic介绍，这种灌注液是一种专有混合物，含有“氨基酸、维生素、代谢物和13种不同化合物的药物组合，经过优化，可促进细胞健康，减少细胞压力和死亡，抑制炎症”。溶液与动物自身的血液混合，在机器的帮助下循环6小时，机器类似于用于为受伤患者提供临时心血管支持的ECMO心肺设备。但是这个装置包含特殊的泵，可以在不撕裂毛细血管的情况下输送OrganEx。OrganEx一个过滤毒素的透析单元，以及监测流体压力和流量的传感器。

对照组的动物不接受治疗；实验组则在一小时后接受体外膜氧合（ECMO）治疗，这是一种用于将含氧无二氧化碳的血液泵入全身的方法。

在外部咨询委员会和其他专家的协助设计，保证了这一实验遵循人道动物处理标准；这些猪被麻醉，并注射了神经元阻滞剂，以防止它们恢复意识。“我们想看看我们能在多大程度上恢复或逆转受损器官中细胞的死亡。但我们的工作不是让动物复活，”Sestan说。

当研究小组在显微镜下检查经过organex处理的大脑、心脏、肝脏和肾脏切片时，他们发现这些切片看起来更像健康组织，而不是来自对照动物的解体组织。

单细胞RNA测序（细胞内分子过程的实时快照），表明经过organex处理的猪的器官恢复了基本功能，如DNA修复和在防止细胞死亡的同时维持细胞结构。此外，心脏细胞开始跳动，肝细胞恢复了从血液中吸收葡萄糖的任务。

然而，Sestan称，在解释这一结果时要谨慎。“我们可以说心脏在跳动，但它在多大程度上像健康心脏一样跳动，这还需要更多的研究。”

未来目标：建立和改善器官

加州大学洛杉矶分校的心外科医生Abbas Ardehali说，移植科学家的最终目标不只是拯救捐赠器官，而是在植入受者体内之前改善它们。他主持了一项临床试验，名为“器官容器”，这是一种当器官在体外时（如心脏和肺）维持其生理状态的机器。他说:“我预计，在未来十年左右的时间里，获得的器官，将与移植的器官非常不同。”

例如，基因疗法有一天可能会改变捐赠者的器官，使其与接受者的生物学特征相匹配。“想象一下未来会是什么样子。你来医院，得到新肾脏，然后回家——不需要服用免疫抑制剂，”Ardehali说。

其他研究人员，比如英国剑桥巴伯拉罕研究所的分子生物学家Hanane Hadj-Moussa，从大自然中汲取灵感，包括从木蛙和裸滨鼠身上寻找器官保存策略的灵感。这两种动物可以在极冷或低氧的环境中生存，类似于人类心脏停止血液循环时的情况。“例如，为了在冬眠期间保存能量，它们关闭了许多非必要的生理过程，”Hadj-Moussa说。学习如何关闭捐赠器官中的这些过程可以帮助保存器官。

Brandacher正在探索一种来自北极鱼类的抗冻蛋白是否可以防止器官中形成能破坏细胞的冰晶。他和合作伙伴现在已经证明，在保存溶液中加入抗冻蛋白可以使它们在零下6到8摄氏度之间保存器官，Brandacher说。他的团队也在使用这些蛋白质来观察它们是否能将器官温度降低到零下150摄氏度——在这个点上，生物时间会停止，“我们就可以考虑器官银行了。”到目前为止，Brandacher的研究仅限于动物，但他预计，用抗冻蛋白治疗人体器官的研究将在明年左右出现。

专家表示，可以治愈移植器官受损的技术进步也可能帮助到患者。

但Sestan还没有考虑到潜在的临床意义，他更愿意专注于器官移植。他的下一个目标是测试经过“器官修复”处理过的器官——包括将它们移植到接受移植的猪体内，以评估它们在活体动物体内的功能。“我们必须小心，”他说，“不要去猜测什么时候会真正影响和改变社会。”