新技術有望延長冷凍器官“保鮮期”

依靠“冷凍技術”，穿越千年，在未來蘇醒，這是科幻小說中常有的情節。雖然，目前實現冷凍和復活整個生物體還很遙遠，但冷凍器官的科技進展還是給人們帶來不少驚喜。

近期，發表在學術期刊《自然·通訊》上的一項研究顯示，美國明尼蘇達大學的科研人員已在大鼠身上實現腎臟的長期冷凍和復溫，并且這些經冷凍的腎臟在移植后能夠恢復完整的腎功能。這是科學家首次證實哺乳動物的器官經冷凍和復溫后，可以被成功移植并維持生命。這給冷凍器官提出了新的技術解決方案。

器官離體保存時間短

器官移植，是人體器官衰竭后的最后一根“救命稻草”。全世界每年進行的幾十萬例器官移植手術，讓幾十萬條生命得到了延續。在中國，每年有30萬人在生死邊緣排隊等候器官移植，其中卻只有1萬余人能通過器官移植獲得新生。

目前，我國已經可以開展人體肝臟、腎臟、心臟、肺臟、胰腺、小腸等6種人體器官移植的手術；其中，腎移植、肝移植的手術技術都已經十分成熟。但器官移植手術并沒有廣泛普及，主要原因之一就是供體器官“保鮮期”太短。

“器官離體保存是器官移植手術中的必要步驟，而器官冷凍和復溫是延長器官離體保存時間的關鍵技術，這方面的突破可能重塑目前的器官移植臨床體系。”南開大學附屬第一中心醫院器官移植中心主治醫師、南開大學移植醫學研究院課題組長粘燁琦博士認為。

目前，傳統的器官離體保存技術主要為低溫靜態冷保存，這種保存技術的“保鮮期”確實有點短。例如，心臟能夠保存4小時，肝臟能夠保存12小時，腎臟能夠保存24小時左右；像胰臟、小腸等消化器官，由于存在殘留細菌、消化酶、組織駐留性淋巴細胞等特點，保存起來難度更大，保存時間會更短。

“因此，目前的器官移植手術一般都是急診手術，在空間和時間上較大地限制了醫生對患者的救治。”粘燁琦舉例，為了能讓患者盡快手術，在尋找配型成功的患者時就有對地域的考量，避免因路程耗時導致器官離體保存時間延長、錯過最佳手術時機，甚至失去手術機會等情況的發生。同時留給醫生的術前準備和檢查的時間縮短了，只能完成基礎的檢查與準備，可能存在術前評估不充分、術前處理不到位的風險。

為此，科研人員也一直在探索讓離體器官由“短期保鮮”到“長期保存”的新技術。“離體器官‘長期保存’的技術通俗地講，主要由‘凍’和‘化’兩個環節組成。”粘燁琦解釋，目前器官冷凍及復溫主要包括器官冷凍劑制備、器官冷凍劑灌注、器官降溫、器官持續冷凍保存、器官復溫、器官灌洗等步驟。其中冷凍技術中最常用的方法被稱為“玻璃化”，即使用高濃度冷凍保護劑和較快冷凍速度，防止器官的細胞在超低溫環境下形成冰晶，從而避免冰晶損傷細胞最終導致器官受損。在復溫的過程中，還需要掌握好速率，讓器官均勻升溫。

近期，低溫機械灌注、常溫機械灌注等技術的發展在一定程度上延長了器官的離體保存時間，為患者和醫師贏得了更多的時間。但目前的技術一般也僅局限于將器官離體保存時間延長數小時到數周(數周僅限于臨床前試驗)，因此器官離體保存仍處在“短期保鮮”的范圍內。

器官凍存難度遠高于細胞

近些年，隨著基因和細胞技術及產品在醫學上的研究、應用的快速發展，人們會經常接觸到和凍存干細胞、卵子、精子以及胚胎等相關的信息。很多人不禁會問，細胞凍存這么多年后在需要的時候還能使用，而離體器官也是由細胞組成的，為什么器官就不能用相同的技術進行保存？

天津干細胞開發應用協會副會長李相國介紹，目前干細胞凍存技術是將細胞儲存在深低溫環境中減少細胞代謝，使細胞處于休眠狀態，是實現長期儲存的一種技術。具體方法是采用梯度降溫法，將準備好的細胞經程控降溫后轉移至-196℃的液氮罐中長期保存。

“這種技術可以用于保存胚胎細胞等各種類型的細胞。”李相國表示，從理論上來講，細胞凍存可實現永久儲存。醫生和患者可以隨時獲取凍存細胞進行治療、研究或再生醫學方面的應用。

然而，干細胞、胚胎等屬于細胞冷凍及復溫的范疇，如果把冷凍細胞的技術用于冷凍器官，這顯然不是一個簡單的量變過程，應用在整個器官大小的組織上時會面臨更多的難題。

“首先，冷凍保護劑無法均勻地滲入到較大的組織中，當器官較大時，其中心部位凝固所需的時間也會延長，這將導致冰晶的形成。”粘燁琦還介紹，用于細胞冷凍的冷凍劑沒有細胞毒性即可，而冷凍器官的冷凍劑還需要具體考慮其對器官的毒性。更為棘手的是，每個器官都是由多種細胞組成，每種細胞的特性以及功能都不相同，同樣的冷凍劑可能對不同類型的細胞產生的毒性也各不相同。無論哪種類型的細胞受到損傷，都會影響器官的使用功能。

其次，單個細胞或者是大約只有100個細胞的微小胚胎的冷凍狀態更容易評價，復溫過程中的細胞損傷也更容易評價。而器官作為一個具有組織結構的整體，需要在復溫過程中均勻受熱，受熱不均可導致器官不同組織結構間出現膨脹或收縮的作用力，使器官造成物理損傷。

“目前‘玻璃化’只是部分地解決了器官‘凍’的難題，但是像冷凍過程中冰晶形成，冷凍和復溫過程中溫度的控制，復溫過程中需要組織器官整體均勻解凍以及缺血再灌注損傷等難題依然存在。”粘燁琦認為。

或將重塑臨床器官移植體系

此次發表在《自然·通訊》的研究解決了較大器官的復溫難題，研究者們開發了一種“納米復溫”技術：冷凍過程中，在使用保護劑灌注器官時，在其中加入氧化鐵納米顆粒，復溫時則將凍存器官放在射頻線圈中，電流會產生感應磁場，通過器官中的鐵粒子產熱；保護劑通過毛細血管均勻灌注到器官內，由于射頻電場會無衰減穿透組織，所以保證升溫速率的同時加熱也很均勻。

“此次明尼蘇達大學科研團隊的‘納米復溫’技術還包括用乙二醇取代原保護劑中的丙二醇研發了新型冷凍劑VMP，降低了冷凍劑的毒性。”粘燁琦介紹，該研究顯示，保存100天的大鼠腎臟在解凍后依舊能保持活力，接受腎臟移植的大鼠順利活過30天的研究期。

由于器官“玻璃化”技術后緊跟的復溫問題一直難以解決，一些科學家也開始另辟蹊徑，繞過這些難點進行新的探索。

哈佛大學泰勒教授團隊根據自然界中北極林蛙的冷凍、復溫原理，設計了一種合成糖來保護肝臟，在-4℃的條件下將人類肝臟保存了27小時；此外，團隊通過將合成糖與生物冰核Snomax結合，可以在-15℃下將組織儲存5天，并且解凍后組織損傷較對照組而言更輕。

此外，還有的科學家在“凍”的環節下功夫。比如加州大學伯克利分校團隊在不造成損傷的情況下，在較高的壓力下冷凍器官，從而限制冰晶的形成。利用這一策略，研究團隊將一枚豬心臟在-4℃下保存了21小時，隨后把它移植至一只健康的豬體內，這枚心臟在移植后順利跳動。并且這一策略無需使用大量冷凍保護劑，減少了對器官的毒副作用。

談及器官和冷凍復溫技術的發展對未來醫療的影響，粘燁琦表示，這將重塑目前的臨床器官移植體系。“這項技術發展成熟并應用于臨床后，器官移植就不再只是急診手術，將有更長的時間去完善術前準備。分配系統也能夠有更多的時間進行器官分配，實現最佳的組織配型，同時邊遠地區的患者也能夠得到更多的移植機會。目前利用率較低的器官，如心臟、肺、胰腺等可以得到更好地保存與運輸。”粘燁琦充滿期待地說。