近日，科學(xué)家發(fā)明了一種新型納米磁加熱技術(shù)，可以零損傷地復(fù)蘇冷凍的人體細(xì)胞組織。
冷凍人體，是指利用凝冰保藏(Cryopreservation)把組織長時(shí)間保存在液氮(-160°C)中，而在需要的時(shí)候，再把組織加熱復(fù)蘇的一種技術(shù)。
把冷凍的組織加熱復(fù)蘇而不產(chǎn)生損傷是一件非常困難的事情，這不但需要保證加熱均勻，而且需要保持一定的加熱速度。一旦這個(gè)過程中產(chǎn)生冰晶，所造成的機(jī)械力就會(huì)損傷細(xì)胞，大幅度降低組織活性。
而最近，科學(xué)家利用一種新型納米材料磁加熱組織，可以保證體積高達(dá)50毫升的生物組織以超過每分鐘130°C的速度均勻加熱，而不產(chǎn)生損傷。而此前，其他技術(shù)只能無損傷地加熱復(fù)蘇1毫升的生物組織，此技術(shù)突破了先前的技術(shù)極限，將體積提升整整了五十倍。
冷凍保存人類器官一直都是大家夢寐以求的一種技術(shù)。暫且不提科幻電影中利用冬眠艙延長人類壽命，如果能夠冰凍保存器官，器官短缺問題就能得到很好的解決。
調(diào)查顯示，僅僅在美國，每天因等待器官移植而死去的人就高達(dá)22人。而器官短缺問題，很多時(shí)候不是因供體不夠，而是因?yàn)榫栀?zèng)的器官不能被長時(shí)間的保存，在到達(dá)患者之前就“壞了”，不具備生物活性了。
比如，心臟和肺只能在冰上存放最多四個(gè)小時(shí);肝、小腸和胰腺只能存放8-12個(gè)小時(shí)。因此，超過60%的器官因來不及送達(dá)受體而不得不被處理掉。假設(shè)這些壞掉的器官能用一種合適的方式凍存起來，在到達(dá)受體以后復(fù)蘇又不失活性，器官短缺問題就能大大改善。
科學(xué)家估計(jì)，只要這些被浪費(fèi)的器官中，有一半能保存起來，那么在未來的兩到三年內(nèi)，將不再存在器官短缺這個(gè)問題。
玻璃化冷凍(Vitrification)是現(xiàn)在最先進(jìn)的冷凍器官技術(shù)，已經(jīng)有公司(Alcor)使用此技術(shù)凍存人類大腦。然而，面對相對先進(jìn)的凍存技術(shù)，冷凍復(fù)蘇技術(shù)的發(fā)展還相對遲緩。
這意味著，如果沒有合適的技術(shù)，人類器官銀行將只是個(gè)“幌子”，器官只能被凍起來，卻無法被合理地“提取”出來。
組織玻璃化冷凍，傳導(dǎo)對流加熱和納米加熱示意圖。中間A-B是組織被放在防凍液中，在液氮中儲(chǔ)存。左邊C-D是傳導(dǎo)對流加熱，顏色從藍(lán)到紅表示溫度從低到高，可以看到凍存管越靠外面溫度越高，越靠近中間溫度越低。右邊E-F表示新型納米磁加熱，在均勻的磁場下，凍存管各個(gè)部分的溫度接近相同，融化后細(xì)胞還有活性，組織還可以被再利用。
傳導(dǎo)對流加熱是之前加熱凍存的小體積生物組織的“標(biāo)準(zhǔn)方法”。然而，一旦生物組織的體積變大，傳導(dǎo)加熱就不夠均勻，會(huì)產(chǎn)生冰晶損傷組織，或者組織會(huì)因受熱不均直接碎裂。
為了克服這一問題，科學(xué)家們祭出了“納米微波爐”方法。
他們把直徑50nm左右，鍍有二氧化硅的氧化鐵納米顆粒(iron oxide nanoparticle (IONP) )和組織混在一起。再通過均勻的磁場加熱組織(工作原理類似于我們燒菜的微波爐)，使得組織的各部分以接近相同的速度升溫，而不產(chǎn)生冰晶。當(dāng)組織完全融化后，再把納米顆粒洗去，得到相對純凈而又不失活性的組織。
他們試驗(yàn)了一系列豬和人的組織細(xì)胞，從小體積1ml到大體積50ml，使用傳統(tǒng)對流加熱復(fù)蘇和新型納米加熱復(fù)蘇進(jìn)行比較。
在1ml的體積下，納米加熱和傳統(tǒng)加熱后的細(xì)胞有類似的存活率和生物機(jī)械特性。而在50ml的體積下，傳統(tǒng)加熱的細(xì)胞存活率降低了約80%，納米加熱的細(xì)胞存活率幾乎沒變。簡單的說，納米微波爐技術(shù)在小體積時(shí)和“標(biāo)準(zhǔn)方法”一樣有用;在大體積時(shí)，可以成為新的標(biāo)準(zhǔn)方法。
另外，科學(xué)家也在豬的勁動(dòng)脈上使用此方法進(jìn)行了冷凍再加熱復(fù)蘇。這樣處理以后的血管和原始血管在長度和彈性上都沒有顯著區(qū)別，其他生物力學(xué)特性也幾乎保持不變。
當(dāng)然，這個(gè)研究現(xiàn)在還存在一些局限性，如果需要加熱復(fù)蘇整個(gè)器官，那么需要先把這些納米顆粒均勻地注射到整個(gè)器官當(dāng)中。這一技術(shù)難題，也是科學(xué)家下一步需要克服的問題。
另外，本實(shí)驗(yàn)并沒有真正地成功將一個(gè)完整的器官凍存然后升溫復(fù)蘇。盡管我們離真正做到凝冰保藏整個(gè)器官還有一定的距離，這一納米顆粒磁加熱技術(shù)已經(jīng)讓人十分興奮了。
“這是人類首次成功將大體積的生物組織從零下幾百度攝氏度，升溫復(fù)蘇而且還保持活性”，明尼蘇達(dá)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)兼生物工程學(xué)教授約翰·比紹夫(John Bischof)說道。
他也是本研究的資深科學(xué)家之一：“我們突破了高溫和低溫的極限，而往往當(dāng)突破極限時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)很多有趣的事情。這一研究實(shí)在太令人興奮了，他將會(huì)為器官銀行的建立提供技術(shù)支持。當(dāng)然，它也會(huì)有巨大的社會(huì)影響力，可能會(huì)出現(xiàn)很多超越冷凍器官的應(yīng)用。”