製作可樂冰沙的原理，能讓“超冷凍”的心臟復跳？_風聞

長久以來，心臟保存是個難題，零度以上保存時效太短，零度以下人體組織又會被冰晶破壞。科學家一直試圖破解這個兩難的局面。而現在，他們找到了一條出路。

撰文 | 栗子

等容過冷用的容器示意圖丨圖片來源：Anthony Consiglio, UC Berkeley

心臟一旦脱離人體，通常保存不了多久。利用現有的冷保存技術，心臟細胞的功能會在4小時後開始衰竭。如果把這樣的心臟移植給患者，器官出現功能異常的風險便大大增加。由於時間限制，捐獻的心臟中大部分都無法及時移植給需要的患者，只有被丟棄。

但如今，加州大學伯克利分校的科學家，找到了一種能讓心臟組織保存更久的辦法，使得心臟組織在零度以下儲存3天后，還能成功復甦。他們的研究成果發表在《通訊生物學》（Communications Biology）期刊上。

温度雖低，卻不結冰

那要把物體保存在零度以下的環境，都有怎樣的方法？傳統的冷凍方法又叫“等壓冷凍”（isobaric freezing），就是把物體放在氣壓恆定的地方冷凍，比如一個標準大氣壓下面：當温度降到零度以下，水會開始結冰。

可是冰晶會破壞細胞結構，讓人體組織受到傷害，不利於活體器官的保存。那麼，怎樣才能實現既讓温度降到冰點以下，又不讓組織結冰？

冰比水的密度小丨圖片來源：Johnathon Choate

當水結成冰，體積會膨脹。但如果在一個堅硬的容器中充滿水，排儘裏面的氣泡，再將容器放進冷凍室，由於沒有多餘的空間留給水去結冰，於是，冰點以下的水也能保持液態。這樣就可以避免冰晶破壞人體組織。

這種操作叫做“等容過冷”（isochoric supercooling）。你也可以做到類似的事，比如把一瓶搖過的可樂放進冰箱的冷凍室，幾個小時後便會得到一瓶“超冷凍”可樂。

“超冷凍”可樂丨圖片來源：The Sci Guys

它原本沒有結冰，但假如搖晃瓶身，就會發現裏面的可樂迅速凝固：當二氧化碳氣泡釋放出來，與液體部分充分接觸時，冰晶就在氣泡周圍形成了。

當然，伯克利的科學家們關心的不是“超冷凍”可樂能不能做成冰沙，而是“超冷凍”心臟能不能保留它原本的功能。

保留哪些功能才算成功？

於是，科學家誘導人源性的幹細胞形成心臟組織，它們能像真實的心臟那樣跳動，且跳動的節律也與人類心律接近。這樣的組織也稱作“心臟微生理系統”（MPS）。與此同時，剛性容器裏已經裝滿了器官保存液。把跳動着的心臟微生理系統放進容器並密封好，幾乎不留氣泡，就可以開始執行“等容過冷”操作了。

心臟組織的過冷保存，瓶中灰色為心臟組織，藍色為保存液 圖片來源：doi:10.1038/s42003-021-02650-9

他們把容器放進-3°C的環境裏，等到24小時、48小時和72小時後，分三批將組織取出，放在接近人類體温的37°C環境中，看有多少塊心臟組織能夠復跳。結果顯示，曾經在-3°C停跳的心臟微生理系統，大多數都恢復了跳動。具體來説，24小時後取出的心臟組織樣本中，有65%能恢復正常的自發搏動。48小時後和72小時後取出的心臟組織，分別有50%和55%恢復了正常的自發搏動。

藍色為恢復正常自發搏動的心臟組織樣本，灰色為部分恢復自發搏動的樣本，其他樣本未能恢復自發搏動 圖片來源：doi:10.1038/s42003-021-02650-9

科學家認為，這樣的成功率在心臟復跳方面算是相當高了。考慮到心臟組織之間還有個體的差異，以及整個過冷操作都沒有使用冷凍保護劑，這樣的結果就更令人鼓舞。

不過，自發跳動只是心臟組織功能的一部分。除此之外，研究團隊還要測試保存後的心臟組織對外部電刺激的反應。假如你聽説過心臟起搏器，它的原理就是用電極刺激心肌，促進心肌收縮。而這次，科學家也為過冷後的心臟組織插上電極，查看它們的表現。

結果發現，被插入起搏電極的心臟組織中，大多數（50%-70%）作出了正常反應。此處的正常，指的是這些心臟組織和未經過冷的對照組，在接受電刺激時表現相近。

第二項測試結束，又有第三項。合格的心臟組織，應當對一些治療心臟的藥物有所反應。科學家想知道，過冷後的心臟組織能不能產生這類反應。於是，他們用1微摩爾/升的異丙腎上腺素作為考題，這是一種用來增加心率的藥物。

實驗顯示，過冷保存後取出的心臟組織暴露在藥物之中，心率有了顯著提升。雖然心率提升的程度與對照組有些差距，但研究人員並不能確定這個差距究竟是由過冷保存導致的，還是與心臟組織之間的個體差異有關。

24小時後與72小時過冷後取出的心臟組織，暴露在藥物中，心率有明顯提升 圖片來源：doi:10.1038/s42003-021-02650-9

經過各項測試，科學家終於確認等容過冷後的心臟組織還能恢復基本功能。另外，免疫熒光染色實驗也證實，這種低温保存方法並沒有損失心臟組織的結構完整性。

團隊相信，這是第一次有（幹細胞誘導產生的）心臟組織在過冷保存之後成功復甦。雖然，復甦的還不是真正取自人體的心臟組織，但依然給心臟移植帶來了更多的可能。

遠距離傳送心臟

現有的心臟保存技術，標配是把停跳的心臟放進保存液當中冷卻，通常只能保存4-6小時。所以長久以來，待移植的心臟都很難承受遠距離傳送，比如一位身在東南沿海的捐獻者，他捐獻的心臟可能無法用在西部省份的病患身上。

假如有一天，等容過冷技術能將心臟儲存24-72小時，且保證基本功能正常運行，心臟移植的時間窗口便能得到大大延展，讓更多有需要的患者獲得生的機會。

這項研究是一次關鍵的概念驗證。不過一小塊心臟組織可以復甦，還不代表一整個心臟也能復甦。科學家接下來要做的事，就是把技術適用的範圍從組織擴大到器官，讓等容過冷心臟早日投入臨牀。

參考鏈接

[1] https://www.nature.com/articles/s42003-021-02650-9

[2] https://engineering.berkeley.edu/news/2021/09/cold-hearted-science/

[3] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5724041/

[4] https://www.livescience.com/how-long-can-donated-organs-last-before-transplant.html

[5] https://www.youtube.com/watch?v=cIiyuT-ogzo

本文經授權轉載自微信公眾號“環球科學”。