科学家开发纳米加热技术，将器官冷冻保存期延长至100天

时间： 2023-11-01 05:49     浏览量：511

来源：DeepTech深科技

“论文的共同一作是一名医生，他来帮我们给大鼠做肾脏移植手术。手术完成以后，当他看到大鼠的尿液掉落时非常激动，这说明肾能够正常工作，移植手术成功了。”美国明尼苏达大学博士后韩宗祜表示。

图丨团队合照：埃里克·B·芬格（Erik B. Finger）（左）、韩宗祜（中）和约翰·C·比肖夫（John C. Bischof）（右）（来源：韩宗祜）

对于生物体来说，器官病变或丧失功能，会引发一系列疾病甚至对生命本身造成威胁。器官移植，则是一种帮助生物体恢复功能、维持生命健康的重要手段。

就器官本身而言，离体后可以保存的时间很短。到目前为止，心脏的保存时间约为 6 至 8 个小时，肝脏的保存时间约为 12 至 24 个小时，肾脏的保存时间约为 24 至 48 个小时。

因此，从器官捐献者捐出器官，到器官被真正地移植到器官接受者的身体中，这期间的时间是非常宝贵的，需要用来完成术前准备、被移植者通知等一系列工作。在这有限的几十个小时之内，相关工作一旦不能够充分准备，便会造成器官浪费。

传统上，为了延长器官的保存时间，使器官接受者能够不受时间和地点的限制，更为公平地获得器官移植，相关领域的研究人员一般采用冷冻保存的方法。不过，由于生物体大部分是由水组成的，而水在结冰时发生的膨胀会导致刺破或杀死器官中的细胞，因此冷冻保存法常因结冰而失败。

据了解，早在 20 世纪 80 年代中期，人们已经开始使用玻璃化器官，作为冷冻保存法的一种替代方法。该方法将水置换成冷冻保护剂，可将器官快速冷却到稳定、无冰和玻璃状的状态，安全地度过低温的过程，不会给细胞造成伤害。

复温，则是该方法在之后几十年间面临的主要挑战。玻璃化以后的器官，在使用时需要对其进行复温。在这个过程中，如果复温过慢，依旧会发生结冰现象，造成对细胞的破坏；如果复温不均匀，器官则可能因热应力而破裂。

“快速复温和均匀复温，这两者缺一不可。其中，为什么要均匀复温？就比如我们用微波炉加热食物，当食物表面已经热起来时，里面还可能冰凉，这就是一个很典型的不均匀加热。热胀冷缩和受热不均匀，就会导致器官被撕裂。”韩宗祜解释说。

为了解决上述障碍，来自明尼苏达大学的研究团队，提出了一种纳米加热的技术，利用交变磁场加热器官血管内的氧化铁纳米颗粒，以实现快速和均匀的加热，然后再通过灌注洗掉纳米颗粒。

图丨纳米加热技术概述（来源：Nature Communications）

详细来说，在冷冻前，氧化铁粒子和冷冻保护剂溶液一起被灌输到器官的血管中，再通过快速降温到零下 150 摄氏度让器官实现玻璃化。该玻璃化器官理论上可以保存无限长时间而不发生任何变化（文中保存最长时间为 100 天）。当需要时，器官可以从冰箱中取出，再将其放置在射频线圈中。而从线圈中流过的交变电流，会产生交变磁场，纳米粒子在磁场中发生振荡反应，进而在整个系统中产生热量，并以这部分热量来加热器官。

“通过这种技术，我们既可以用很快的速度加热器官，又能达到均匀加热，这样就实现了对器官的解冻。解冻之后，我们再把防冻液置换成水，器官便可以用来移植了。”韩宗祜表示。

图丨肾脏的玻璃化和纳米加热（来源：Nature Communications）

韩宗祜和明尼苏达大学博士后约瑟夫·苏希尔·拉奥（Joseph Sushil Rao）为该论文的共同第一作者，明尼苏达大学约翰·C·比肖夫（John C. Bischof）教授和埃里克·B·芬格（Erik B. Finger）助理教授为论文的共同通讯作者。

图丨期刊封面（来源：Science）

据韩宗祜介绍，器官移植后生物体能否存活，是验证纳米加热技术最终是否可行的判断标准。该团队在大鼠模型上分别移植了五个肾脏器官，成功地证明了肾脏功能的恢复。值得一提的是，这五个肾脏器官的冷冻保存期都不相同，时间范围在 1 至 100 天。

不过，该团队只观察了大鼠在 30 天内的健康存活状态，因此下一步他们计划开展更长时间的跟踪研究。同时，需要指出的是，在进行器官移植手术以后，冷冻冻存过的器官产生的肌酐清除率（注：判断肾脏是否健康的指标之一），虽然也处于可接受的范围之内，但相较新鲜器官来说还是比较高，因此接下来该团队也打算继续对冷冻、复温等步骤进行进一步优化，以便更好地降低肌酐清除率。

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. Nature Communications 14, 3407 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38824-8

2.https://www.science.org/content/article/how-to-deep-freeze-entire-organ-bring-it-back-to-life

排版：罗以

关键词 : 纳米磁场 新浪科技公众号

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