在许多科幻小说和电影中都有这样的情节，人类的生命可以被“冻结”在某个时刻，以满足漫长的星际航行的需求，或是使当下无药可治的患者有机会到未来医疗技术水平更发达的时代获得救治。数十年来，经过一代又一代科学家的努力，我们正在离这一梦想越来越近。
近期，发表在学术期刊Nature Communications上的一项研究显示，科学家已经成功在大鼠上实现了肾脏的长期冷冻和复温，并且这些经冷冻的肾脏在移植后能够恢复完整的肾功能。这是科学家首次证实哺乳动物的器官经冷冻和复温后，可以被成功移植并维持其生命。毫无疑问，这是器官保存领域的一个里程碑式的进展！
冷冻复苏的起源和存在的挑战
冷冻复苏的概念源于自然界中一些具有特殊能力的生物，它们可以在零下的环境下长期存活。例如，木蛙（Rana sylvatica）可以随着环境温度的变化一起冻结和解冻，北极地松鼠则能够使体液降至零下三度。更为惊人的是，2021年时，科学家们发现了一种叫做轮虫的微生物，被冻结在西伯利亚的永久冻土中2.4万年后依然能复活并成功进行繁殖。
早在1930年左右，瑞士的一位科学家Basile J. Luyet博士就曾试图在没有冷冻保护剂的帮助下把这些生物具有的耐寒能力进行复现。尽管他没能成功，但他在物理化学结合生物学方面近40年的探索使低温生物学成为了一个新的科研分支。
多年来，如何在冷冻器官后使其毫发无损地完全恢复功能一直是科学家们面临的棘手问题。其中的难题主要有两个，一个是细胞中的水分在冷冻时会产生冰晶，这些冰晶会像一把利刃割裂细胞。此外，随着水分的不断结冰，细胞液中的盐分将被浓缩，对细胞造成损害。另一个难题是，当把冷冻的器官进行复温时，如果不能使器官均匀地受热，不均匀的膨胀和收缩同样会使器官开裂崩坏。
对于第一个问题，科学家们已能够通过使用冷冻保护剂和液氮快速降温的方法解决。这种方法被称为玻璃化（vitrification），可以使组织中的水迅速变为一种坚硬、光滑、类似于玻璃的非晶态固体结构，而没有时间形成冰晶。
不过，这种方法对于大约只有100个细胞的微小胚胎来说是可行的，但要应用在整个器官大小的组织上时则面临着更多的难点。首先是冷冻保护剂无法均匀地渗入到较大的组织中，其次是当器官较大时，其中心部位凝固所需的时间会延长，这将导致冰晶的形成。而如果想通过增加冷冻保护剂来抵消冰晶的产生也是行不通的，因为这些化学物质本身也具有毒性，这同样会对器官造成损害。
对于微小胚胎大小的组织而言，在冰水浴中就可以完成复温。但这一过程在整个器官大小的组织中进行时则困难重重——这要求组织的受热不仅要均匀，升温速度还不能慢，不然当组织升温接近冰点时，冰晶依然会产生。
2002年时，小鼠胚胎玻璃化技术的开发者之一，冷冻生物学家Greg Fahy博士曾在兔子上尝试过肾脏的玻璃化后复温移植实验。在这项研究中，尽管兔子在接受肾脏移植后存活了近7周，但尸检结果显示，它的大部分肾脏还是受到了损伤。不过即使如此，受损肾脏的功能也足以维持兔子一段时间的生命。
通过玻璃化动物的器官，Greg Fahy博士完成了器官冷冻复苏关键的第一步，但找到快速均匀地使较大的玻璃化组织复温的方法依然是摆在科学家们面前的一大难题。直到2022年4月，明尼苏达大学的科学家们打通了器官冷冻复苏的复温环节，完成了一场历史性的肾脏移植手术。
“纳米复温“技术解决较大器官复温难题
明尼苏达大学器官和组织保存中心的John Bischof教授和他的同事们花了数年时间在开发玻璃化器官复温技术上。该团队在尝试了从激光到导热网格等多种潜在的复温技术后，终于利用氧化铁纳米颗粒（IONPs）和磁场开发出了名为“纳米复温（nanowarming）”的技术，能够实现较大器官快速且均匀地复温。
▲纳米复温程序步骤示意图（图片来源：参考资料[3]）
纳米复温的原理和操作方法简单来说，就是使用含有氧化铁纳米颗粒和冷冻保护剂的载体溶液通过毛细血管均匀地灌注到器官内，然后使用液氮快速冷却器官至玻璃化状态，即可在零下150℃的条件下一直保存。等到需要进行移植手术时，将冷却的器官放在射频线圈内，流经线圈的电流通过每秒36万次的翻转能够产生方向不断变化的强大磁场，使分布在器官中的氧化铁纳米颗粒产热，从而快速均匀地使器官复温。随后，使用冲洗液将氧化铁纳米颗粒和冷冻保护剂彻底冲洗干净后，即可开展常规的器官移植手术。
利用这一技术，Bischof教授的团队成功将玻璃化后在-150℃保存了100天的大鼠肾脏复温，并完成了移植手术。术中，经过纳米复温的移植肾脏在血流恢复后看上去与新鲜的对照肾脏和新鲜的对照移植肾脏无异，也没有观察到血栓的形成，而在4℃下保存了60个小时的移植肾脏则已明显出现了颜色改变、瘀斑等损伤的表现。在肾脏功能的表现上，新鲜的对照移植肾脏在再灌注后几分钟内就产生了尿液，而纳米复温的移植肾脏则需要40-45分钟。
▲纳米复温肾脏与其它对照肾脏的大体和组织学表现图（图片来源：参考资料[3]）
所有5只接受了纳米复温肾脏移植手术的大鼠均活过了30天的研究期。这些大鼠的血清肌酐（一种用于评估肾功能的指标）水平在移植后2-3天达到了峰值，在2-3周内恢复到与移植了新鲜肾脏的大鼠相当的水平，并在第23天恢复到了健康大鼠的水平，直到研究期结束。同样的，其他高钾血症、代偿性酸中毒等代谢功能障碍的指标虽然在移植后的前两周有所升高，但基本也在两周后恢复正常。
该研究的结果表明，在低温下储存一段时间（100天）的玻璃化器官（肾脏）可以通过纳米复温技术成功恢复用于维持生命的全器官功能用于移植。此外还值得注意的是，这种复温方法能够穿透组织而不会衰减，因此理论上无论器官的大小如何，只要毛细血管内的灌注能够保证氧化铁纳米颗粒和冷冻保护剂能够充分且均匀地分布到整个器官内，它就能发挥作用。也就是说，纳米复温技术有希望向人类研究进行转化，并取得同样的积极结果。
研究人员表示，他们已计划在未来6个月内在与人类肾脏大小相仿的猪肾上开展类似的研究，但具体的实验细节目前尚未披露。对于这项技术未来的发展，Bischof教授充满了信心：“据我们目前所了解到的，没有任何物理方面的原因会使这个‘复温程序’不起作用。”
如果一切顺利的话，这项技术将极大地延长器官的“保质期”，并有助于器官移植库的建立，从而提高器官的利用率和患者的存活率。未来或许可以期待的是，各种干细胞、脏器，甚至到皮肤、神经、血管和软骨都能在液氮中保存多年，直到与它们匹配上的患者出现。
还有哪些器官冷冻复温技术值得期待？
由于器官玻璃化技术后紧跟的复温问题一直难以解决，一些科学家决定另辟蹊径，绕过这些难点。
来自麻省总医院（MGH）及其它一些实验室的科学家试图模仿那些冬眠时体温接近冰点的动物的天然冷冻复苏机制来解决器官冷冻复苏的难题。他们观察到，冬眠时被冷冻的青蛙会通过在肝脏中产生葡萄糖在组织内起到防冻剂的作用。而青蛙血液中存在的一种特殊的蛋白质则能充当冰晶的种子，引导冰从更坚韧的脉管系统开始生长，而不是从其他更脆弱的组织中开始。通过用合成糖替代葡萄糖、用造雪机制造雪的冰核Snomax替代青蛙血液中的蛋白质，科学家们已经可以使大鼠的肝脏在-5℃下保存长达15天（目前用于移植的肝脏最长只能保存12小时），且解冻时造成的损伤也有限。
另一些科学家则试图从水的物理性质上拓展新的可能性。由于水在压力增大时会限制冰的形成，加州大学伯克利分校的生物医学工程师开发了一种基于密封金属容器的革命性的器官保存方法。这种方法不仅可以避免玻璃化带来的挑战，相比于其他方法，需要使用的冷冻保护剂更少，因此毒副作用也更少。今年4月，该研究小组通过这一方法使猪的心脏在-4℃保存了21个小时（目前心脏在冰上保存的最长时间仅有6-8小时），在将其复温移植到另一头猪体内后，这颗心脏也能自发地开始跳动。
此外，MGH的科学家正在一些体型较小的生物中进行完整生物体冷冻后复苏的实验。到目前为止，他们已经可以做到让斑马鱼在-10℃下冷冻3天后复苏并继续生长。尽管目前该方法的成功复苏率仅有50%，但随着成功率的提升和在大型生物上的研究取得进展，或许那些科幻小说中的场景将在我们可以预见的未来成为现实。让我们拭目以待！
