从人类心脏或肺与捐赠者分离的那一刻起，医生有 4-6 小时的时间将其连接到新患者的血液供应中，以免其受到不可挽回的损坏。对于肝脏来说，窗口期是 8-12 小时，对于肾脏来说，窗口期大约是 24-36 小时。
根据世界卫生组织的数据，超过 60% 的捐赠心脏和肺未能及时到达接受者手中；只有不到 10% 需要器官移植的人真正得到了移植。
因此，科学家们希望最终能够建立冷冻保存的组织库，例如皮肤、整个器官，甚至四肢，从而缓解短缺问题，并让医生有时间更好地为受试者移植做好准备。
近日，来自明尼苏达大学的研究人员报告称，他们使用突破性的复温技术成功地将玻璃化和复温的肾脏移植到大鼠体内，并在移植 30 天内恢复了完整的肾功能，且肾脏在低温下持续保存长达 100 天。
相关论文以题为“Vitrification and nanowarming enable long-term organ cryopreservation and life-sustaining kidney transplantation in a rat model”发表在 Nature Communications 期刊。
（来源：Nat Commun）
01
“纳米复温”实现 90s 内解冻肾脏
现阶段能在远低于零摄氏度下长时间储存并复活的最大生物体是人类胚胎。低温生物学家 Greg Fahy 曾表示，如果用当今的技术对整个人进行尝试，结果将是一具充满有毒化学物质的无生命尸体。
Fahy 于 1985 年就在 Nature 发文，揭示了一种可以使小鼠胚胎在 -198℃ 下保存的化学过程，称为“玻璃化冷冻”。这是一种使用更高浓度的冷冻保护剂（CPA）和更快的冷却速度的方法，通过在冷却过程中形成玻璃态来完全避免结晶，现常被用于卵子和胚胎冷冻。
该技术解决了冷冻过程中的主要障碍：冰。当水结冰时，它会对组织内部造成严重破坏，水分子从紧密堆积的无定形流体转变为刚性晶格，冰晶会像刀子一样撕裂细胞。而冷冻保护剂（CPA）可以稀释粘性液体中的水分子，从而阻止冰晶的形成。
复温过程同样重要。如果物体升温太慢，当组织接近冰点时就会形成冰晶；如果加热不均匀，不均匀的膨胀或收缩引起的应力会使物体破裂。
领导此次研究的 John Bischof 是明尼苏达大学生物医学工程系教授，在过去几年，他领导团队尝试了从激光到导热网的各种方法来快速、均匀加热玻璃化组织。基于磁场和铁纳米颗粒相结合，研究人员开发了一种称之为“纳米复温”（nanowarming）的技术，可以保证较大器官内部以及整个器官均匀升温。
具体而言，氧化铁纳米颗粒与 CPA 溶液会一起灌注到整个器官脉管系统中。当肾脏需要复温时，射频线圈会感应交变磁场，均匀加热纳米颗粒。肾脏重新升温后，CPA 和纳米颗粒会一起被冲出肾脏。此外，无论器官大小如何，毛细血管内的灌注都可以充分均匀地输送 CPA 和氧化铁纳米颗粒。因此，纳米复温本质上可以扩展到人体大小的器官以进行临床转化。
▲图 | “纳米复温”具体过程（来源：[1]）
首先，研究人员对 5 只大鼠肾脏进行玻璃化冷冻，并转移至-150℃ 的冰箱中保存。当需要复温时，使用 15kW 射频线圈在 63kA/m 和 180kHz 条件下，90s 内即可解冻肾脏。
然后，研究人员通过将器官连接到机器而不是移植到实际动物体内，测试了几个离体复温肾脏的功能。作为对照，他们使用了在 4°C 下冷藏 24 小时的肾脏和用不含氧化铁纳米颗粒的 CPA 溶液冲洗的肾脏，这些肾脏都没有玻璃化，也没有重新加热。
在肌酐清除率（肾功能的主要标志）方面，复温的肾脏表现比新鲜的肾脏差，但与 CPA 冲洗的肾脏相当，这表明这种非严重的功能丧失是由于 CPA 毒性而不是玻璃化/复温过程所导致。重新加热和 CPA 冲洗的肾脏也基本上与冷藏的肾脏一样。所有组的尿量均接近正常。
体内实验表明，经过最初一段时间的调整后，纳米加热的肾脏在活体大鼠中的表现与新鲜移植物一样好。移植后一到两周，肾功能的所有主要标志物均恢复正常。
此外，肾脏还产生促红细胞生成素（一种刺激红细胞生成的激素），并将维生素 D 转化为其活性形式。在随访期结束时，这两项功能也显得正常。
（来源：明尼苏达大学官网）
值得注意的是，在这项研究中，移植前，玻璃化大鼠肾脏低温保存时间长达 100 天；肾脏移植后，5 只老鼠接受者均能够在 30 天内恢复全部肾功能，无需额外干预。
“在最初的两到三周内，肾脏并未完全发挥功能，但到了三周后，它们就恢复了。一个月后，它们的肾脏就功能齐全，与移植的新鲜器官完全没有区别。”该研究的共同资深作者、明尼苏达大学医学院移植外科医生和外科教授 Erik Finger 介绍称。
现在，研究人员已经转向猪肾脏，其更接近人类肾脏的大小。Bischof 暂未透露任何关于这项研究的细节。此外，Finger 也表示，在人类移植中，会实施更多的干预措施，包括药物和透析等，来辅助肾脏移植。
02
避免超低温或增压或是冷冻保存的新方式
其他科学家正在寻求其他方式解决玻璃化问题，如避免超低温或增压。
麻省总医院生物医学研究员 Shannon Tessier 研究过青蛙和其他在接近冰点的环境下冬眠的动物，如木蛙三分之二的身体在 -16℃ 的温度下冷冻数月后仍能恢复活力。
她表示，随着冬天的到来，青蛙的肝脏产生葡萄糖，在组织内充当抗冻剂。组织内的抗氧化剂水平增加，防止细胞中氧含量突然变化造成的损害。青蛙血液中的特殊蛋白质充当冰晶的“种子”，引导冰在更耐用的脉管系统中开始生长，而不是在其他更脆弱的组织中开始。
包括 Tessier 在内的一组科学家通过向人类肝脏注入合成糖来模仿青蛙，这种合成糖与天然葡萄糖不同，不会代谢成有毒副产品。2019 年，他们宣布该方法使他们将人类肝脏在 –4°C 下保存了 27 小时，是捐赠肝脏标准寿命的两倍多。
▲图 | 木蛙可以在加拿大北极等地的部分冷冻状态下存活数月（来源：[5]）
最近，该团队将这种合成糖与 Snomax 的输液相结合，Snowmax 是一种生物造雪剂，可以让水滴的凝结温度更高，凝结速度更快。像木蛙血液中的蛋白质一样，Snomax 减缓了冰的形成并将其集中在大鼠肝脏的血管中，使它们能够在 -5°C 下部分冷冻长达 15 天，然后在有限的损伤下解冻。
此外，Tessier 团队将微小的斑马鱼幼虫冷冻在 -10°C 下 3 天；解冻后，一半的鱼可以存活下来并继续生长。
加州大学伯克利分校的 Boris Rubinsky 教授也在低温生物学方面有所研究，他发现，较高的压力可以限制冰的形成。今年 4 月份，他们团队将猪心脏在 -4℃ 下冷冻了 21 小时，复温并移植后，心脏可以正常跳动。这种策略减少了 CPAs 的使用，限制了毒副作用。
美国农业部食品技术专家 Cristina Bilbao-Sainz 利用这种方式保存食物，包括在保存菠菜、樱桃和土豆上均表现不错，并在 2022 年 12 月份，与一家未具名公司达成合作。
参考资料：
1.Han, Z., Rao, J.S., Gangwar, L. et al. Vitrification and nanowarming enable long-term organ cryopreservation and life-sustaining kidney transplantation in a rat model. Nat Commun 14, 3407 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38824-8
2.Rall, W., Fahy, G. Ice-free cryopreservation of mouse embryos at −196 °C by vitrification. Nature 313, 573–575 (1985). https://doi.org/10.1038/313573a0
3.https://twin-cities.umn.edu/news-events/first-successful-transplant-functional-cryopreserved-rat-kidney
4.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2781097/
5.https://www.science.org/content/article/how-to-deep-freeze-entire-organ-bring-it-back-to-life
6.https://www.donoralliance.org/newsroom/donation-essentials/what-is-the-time-frame-for-transplanting-organs/
