技术文章您现在的位置:首页 > 技术文章 > 冬眠科技为细胞生命按下“暂停键”

冬眠科技为细胞生命按下“暂停键”

发布时间:2021-12-21   点击次数:474次

冬眠科技为细胞生命按下“暂停键”


    冬眠是动物的一种特殊生存技巧。研究发现,人类偶尔也会冬眠,这有助于避免或减轻危及生命的伤害。

  想象一下,受伤严重的你被匆匆送进急诊室,医生还来不及帮你修复伤口,此时你血管里的血液正从破裂的伤口处悄悄流失,失血让身体器官得不到至关重要的营养与氧气供应,你即将进入心脏骤停状态。但你的生命并没有就此结束,因为你的身体开始连上了各种管子,机器呼呼响着,冰冷的液体流过你的静脉,你的体温降到冰点以下。最终,你的心脏停止了跳动,你的肺不再呼气吐气,你的生命似乎也冻结在了静止的时间里。此时的你游离在生与死的边缘,你既不是*活着,也并非*死亡。

  如果一切顺利,未来有一天你将会苏醒过来,并继续活下去。

  曾经的人类冬眠与低温幸存故事

  假死,是一种人的生命过程暂停的现象。20世纪50年代的太空竞赛激发了人们对这一研究领域的兴趣,美国宇航局(NASA)也投入了大量资金研究人类是否能进入“人工冬眠”状态。人们希望,这种状态下的宇航员可以避免遭受太空飞行中强大宇宙射线带来的危害,同时因为冬眠时无需进食与呼吸,能减少食物、水和氧气的携带量,便于宇航员度过漫长的太空旅途。

  当时,一位年轻的科学家詹姆斯·洛夫洛克用仓鼠进行了冷冻实验。他的实验方法是将仓鼠冷却到身体变得僵硬,检测不到心跳后,再将一个热茶匙放在它们胸部,让其体温慢慢升温,同时用无线电配件做的微波枪将仓鼠慢慢“复活”。但这些早期实验一直没有超出动物研究阶段,并未触及人类。人类在冬眠中进行太空旅行的梦想仍然停留在科幻小说的范畴内。随着太空竞赛的终结,美国宇航局对这方面的研究兴趣大减,但人体冷冻研究的种子已然在洛夫洛克和他的同事们的心中播下,并发芽生长起来。

  1900年,《英国医学杂志》刊登了一位俄罗斯农民的故事,称他可以像动物一样“冬眠”。此外传闻普斯科夫东北部地区的居民,在第一场雪即将到来之前,就会蜷缩在屋里,围坐在火炉边,陷入一种被当地人称为“lotska”的深度沉睡状态中:每天醒来一次,就着水吃一些硬面包,家人轮流看着火,直到春天到来时他们才会*醒来。但这只是传闻,会冬眠的普斯科夫人从来没有在世人面前出现过。

  一个世纪后,一位名叫安娜·巴吉霍尔姆的瑞典放射学家,在挪威滑雪度假时,一头栽进了一条冰冻的溪流中,然后被困在了冰中。当救援人员赶到时,她已在冰中被困了80分钟,心跳和呼吸都停止。医生测量她的体温仅为13.7摄氏度,这是历年意外事故受害者中体温很低的,所有的迹象都表明她已经死了。

  然而,在重症监护室里经过医护人员10天小心翼翼地复温抢救,安娜奇迹般地醒了过来。正常情况下,人类被困水下几分钟便会溺亡,而安娜被困水下一个多小时却活了下来,恰恰是冷冻保住了她的生机。

  早在拿破仑时代,就有医生提出了冷冻对于修复人体创伤的好处。有医生发现,留在寒冷室外的受伤士兵比在帐篷里靠近火堆的受伤士兵的存活率更高。如今低温治疗在医院里已很普遍,多用于轻各种紧急情况对患者的伤害,诸如各种术后恢复及帮助难产婴儿出生后的恢复等。

  动物如何进入低体温冬眠

  降低体温可减缓身体的新陈代谢活动,温度每下降1摄氏度,身体活动量就会减少5 %~7%,同时身体消耗氮气等基本营养素的速度也会相应降低,由于失血或心脏骤停导致缺氧的身体组织由此得到一定的保护。从理论讲,如果体温一直下降,最终生物过程会*停止,人体开始进入一种假死状态。此时的人体,就像暂时停止走动的时钟,身体*没有问题,所有的内部“组件”仍然完好无损,只是暂时处于静止状态,只要稍许加热,就能重新动起来。

  当然,这只是理论,实践起来并不简单。低体温本身就是很危险的一件事,因为人体需要保持一定的温度,人类终其一生体温都维持在一个相当恒定的温度——37摄氏度左右。维持体温可不轻松,身体必须持续不断地调整,让产热与散热保持平衡。如果体温下降过度,身体皮肤处的血液就会涌向躯干中心,此时你会不自觉地颤抖着缩成一团;当体温降至约33摄氏度时——仅低于正常体温4摄氏度——心脏开始颤动;低于25摄氏度时,心脏就有*停止跳动的风险。即使躲过体温过低风险的幸存者,在身体渐渐恢复温暖后,也有可能留下肾脏损伤等后遗症。

  但是,某些动物却能够承受更低的温度。北极有一种地松鼠,通常情况下保持与人类相似的体温,但进入冬眠后,可在身体中心温度低至零下3摄氏度时生存,而且体液不被冻成固体。那同样的低温为何会导致人类死亡?希望解开人类假死秘密的研究人员可谓倾注了心血。

  在20世纪90年代,格罗宁根大学医学中心(UMCG)的亨宁与他的团队就开始了人类冬眠实验,并于 6 年前成立了专门的研究小组。模仿动物冬眠有许多实际用途,比如失血是造成患者手术过程中死亡的主要原因,但在低温状态下,冬眠动物受伤后幸存下来的几率要比正常体温状态下高得多,因为较低的代谢率可更好地起到保护身体组织的作用,低温状态下的心脏泵血量也比正常体温状态下少得多。

  许多动物能放慢新陈代谢的速度,包括昆虫、两栖动物、哺乳动物、鸟类和鱼类等动物,都可以进入长期休眠的低能耗状态,即所谓的冬眠。一些小动物,如老鼠、仓鼠和蝙蝠则可以通过节省能量消耗,安然度过饥寒交迫的冬天。

  虽然表面看起来,冬眠就像是睡了一个很长的懒觉,但实际上冬眠并不简单。为忍受长期的低体温、饥饿和易感性的痛苦,冬眠动物体内会发生保护大脑和身体的一系列适应性变化。

  进入冬眠之前,动物会吃得非常胖。但与人类不同的是,肥胖并不会导致它们的动脉壁增厚而引发心脏病。一些物种会在冬眠前两到三个星期前停止进食,在保持日常活动的同时,承受着忍饥挨饿的痛苦。

  人类躺上一个星期,肌肉会开始失能,形成血栓,冬眠动物却能忍受几个月的不食不动。冬眠期间,生活在动物体内的肠道微生物也同时要忍受寒冷和突然的食物匮乏,冬眠动物的肺会变得像哮喘患者那样,覆盖上厚厚的粘液和胶原质,它们的大脑也会呈现出与早期阿尔茨海默氏症相类似的变化,有些物种还会在冬眠中失去记忆。最令人惊讶的是,有些动物在漫长的冬眠后,居然会表现出一些睡眠剥夺的症状。但是,冬眠动物们能够很好地应对所有这些问题,待到春天到来时,它们又会重新恢复生龙活虎的状态,通常不会产生任何长期不良影响。

  动物冬眠没有血栓的秘密

  在格罗宁根大学医学中心(UMCG)的动物实验室里,亨宁的博士生爱德温·德弗里伊和他的同事正在照顾一只躺在冰床上的老鼠。一台机器为被麻醉的老鼠提供稳定的呼吸。十几根细管子和电线为老鼠提供维持生命的液体,同时获取宝贵的数据。一台机器中缓缓吐出的打印数据显示,老鼠的心率从每分钟300次一直下降到了每分钟60次,身体内部温度从20多摄氏度下降到了15摄氏度。作为和我们人类一样的非冬眠的动物,没有辅助医疗手段,老鼠无法在深度低体温状态下存活下来。这主要是由于随着体温的下降,它的神经脉冲活动会放慢,肌肉变得僵硬,呼吸也会变得困难。

  除了在数周时间内,逐步调控室内温度模拟冬季渐渐来临,诱导仓鼠进入冬眠状态之外,UMCG团队还进行了强制性快速降低体温,令血小板(图中粉红色)具有重要的凝血作用,对于动物冬眠中的生存也起着重要作用。

  老鼠迅速进入新陈代谢暂停状态的实验。

  冬眠动物不活动,却能避免出现血栓,主要是它们进入低体温状态后,血液中的血小板会消失。血小板去哪儿了?没有人知道,但在温度恢复后它们又会突然出现。因此德弗里伊确信,它们一定是保存在身体里的某个地方,而不是被吸收掉了。

  不同的冬眠动物都存在这种现象,意味着它们很可能从共同的祖先身上继承了这种应对寒冷、饥饿和窒息的保护机制,并最终形成一种综合性的低代谢功能。甚至有迹象表明,人类在某种程度上也具有某些相似的能力。2004年,研究人员发现一种马达加斯加的狐猴也会进入短期冬眠状态。狐猴与人类有98%的基因是相同的,冬眠的奥秘也许就在这2%的差异里面。

  了解冬眠动物如何控制血液中血小板的变化,对人类健康有着直接和深远的益处,例如提高由于低体温和寒冷导致假死的生存能力,方便冷冻运输移植器官,以及延长血库中血液的保存期等。

  在一次偶然事件中,UMCG团队在这方面取得了很大的进展。一个学生将仓鼠细胞培养液放进冰箱,一个星期后发现仓鼠细胞还活着,并且散发出一股臭鸡蛋味。用于低温保存的一些化合物中有一种被称为胱硫醚β合成酶的酶(CBS),会刺激生产硫化氢分子,从而产生这种特殊的臭鸡蛋味。给仓鼠注射抑制CBS的化学物质,它们就不会进入冬眠状态。如果此时还要强制其进入低温状态,就像人类进入低温状态时一样导致肾脏受损。

  受此启发,亨宁的团队发现了几种可为细胞样本提供长期冷冻保护的化合物。团队已为其中一种化合物ROKEPIE申请了Patent它可以使通常需要在37摄氏度下维持生存的细胞,比如人类或老鼠的细胞,安全地储存在冰箱里(冷藏保存细胞)。

 

637318780448683973786.jpg

  低温保存争取“黄金一小时”

  在紧张忙碌的急诊病房里,出血不止导致失血过多的伤者随时都可能会心脏骤停,外科医生必须先为伤者止血;有些伤者送来时就已经奄奄一息,医生要做的就是尽快止血,同时找到出血原因加以医治。医生总是在与时间赛跑。山姆·蒂什曼教授想要为医生争取到更多抢救生命的时间。他认为,通过诱导伤者进入低体温状态,就可以帮助外科医生争取到宝贵的“黄金一小时”,为此他努力研究探索如何让人类耐受远超出正常的低体温,他毕生的目标是“拯救那些心脏和大脑还很年轻的濒死患者”。

  为此,蒂什曼教授进行了低温保存和复苏的开创性研究。他的研究得到了远程医疗与先进技术研究中心的支持,他们为他的研究课题提供研究资金。蒂什曼手下的外科医生已经掌握了娴熟的低温保存技术,在一些需要零血液流动的手术中,心脏外科医生甚至可将患者的体温降至约15摄氏度,在这个温度下,心脏会暂时停止跳动。

  蒂什曼的计划是,将患者体温降至更低,让身体进入假死状态,此时患者将没有心跳,没有呼吸,也没有明显的脑部活动。事实上,他们的血液也将被抽干,代之以冰冷的生理盐水,这是目前快速降低人体温度以避免机体组织损伤的办法。蒂什曼将这种状态称为“低温保存”。蒂什曼的计划在实验室里获得了成功,他们将进入冷冻状态长达三小时的狗成功复苏,进入临床试验阶段后,麻省综合医院还对外科医生和麻醉师等进行了这种开创性手术的培训。

  在未来,紧急保存和复苏技术可延长心脏病和中毒处理手术等的急救时间。“冷冻是抑制代谢*的办法。如果研究人员可以减少机体组织的需求,或提高机体组织的输氧能力,那就没问题了。”蒂什曼说道。

  虽然实验室动物可在进入假死状态三小时后“复活”,但临床实验中的人类患者进入深度冬眠状态的时间最多只能维持一个小时。不过,蒂什曼说:“一个小时应该足够医生进行止血处理了,冷冻并不一定要覆盖整个手术过程。”但遗憾的是,对于那些要进军遥远星球的宇航员来说,所需要的冬眠时间远非目前的人体冷冻技术所能企及的。“我们需要的是一种能够让人类在足够长的时间里生命暂停的冷冻技术。”蒂什曼笑着说道。

 

靶点科技(北京)有限公司

靶点科技(北京)有限公司

地址:中关村生命科学园北清创意园2-4楼2层

© 2022 版权所有:靶点科技(北京)有限公司  备案号:京ICP备18027329号-2  总访问量:117920  站点地图  技术支持:化工仪器网  管理登陆

QQ在线客服
联系方式

15210359867

4000043669