科学探索|科学家首次实现心脏组织的等容过冷储存与复苏科学家首次实现心脏组织的等

在移植用的组织和器官方面，目前面临的最大挑战，就是防止可能造成严重损害的冰晶积聚。不过加州大学伯克利分校的一项新研究，已经给我们带来了新的希望。在近日发表于《自然通讯生物学》期刊上的一篇文章中，科学家们首次使用了被称作“等容过冷”（isochoric supercooling）的心脏组织保存与恢复技术。

文章图片
等容过冷心脏储藏装置示意图（来自：UC Berkeley）
大约 16 年前，加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的 Boris Rubinsky 开创了被称作“等容过冷”的新技术。
特点是能够避免在生物材料的保存过程中，形成对组织有害的冰晶。除了食品保鲜，未来捐赠的器官，也将获得更长的保存期限。
本月早些时候发表的题为《人类心脏微组织的等容过冷保存与复苏》的新研究，还提到了这项技术能够节省大量能源。

文章图片
人造心脏组织中的肌节 / 肌丝的完整性与排列都得以保留
传统等压冷冻方案，需要在恒定气压下将物体冷冻。而等容过冷技术，则采用了将物体浸没于液体中的方案。
通过将其密封在排除空气的刚性容器中，即使温度降到了冰点以下，内部也不会留有冰晶形成的空间。
【科学探索|科学家首次实现心脏组织的等容过冷储存与复苏】此前，Rubinsky 团队曾将样品冷却至 -22 ℃（-7 ℉）的低温，同时保持 40% 的材料未被冻结。

文章图片
研究配图 - 1：心脏微生理系统与等容过冷方案
Rubinsky 解释称：“这其实利用了基础的热力学原理 —— 当要冻结的材料被限制于一个刚性盒子中时，只有部分体积会被冻结” 。
在最新实验中，研究人员使用了先前开发的芯片心脏系统。其中的心脏组织，则是由成体干细胞生长而来。
该组织能够以与人类心脏相似的节奏来跳动，微流体通道用于模拟细胞暴露于营养物质和药物的过程。
在将这种工程组织浸入等容过冷室中、并冷却至 -3 °C（26.6 °F）后，研究人员隔了 24 / 48 / 72 小时取出细胞，并尝试将之在 37 ℃（98.6 ℉）的温暖温度下恢复。

文章图片
研究配图 - 2：等容过冷前后，关键心脏功能参数的恢复率比较。
结果发现，65~80% 的样本组织能够恢复自律跳动，且经历不同冷冻储存时间的样本之间也没有观察到显著的差异。
后续的样本检查，证明了等容过冷没有改变心脏组织的结构完整性、也没有极大地改变心率或波形 —— 尽管经历较长冷却时间的组织，其心跳持续时间有略微上升的趋势。
此外接受过等容过冷实验的心脏组织，还能够对被称作“异丙肾上腺素”的药物保持反应（用于提升心率）。
主要合著者、鲁宾斯基实验室博士后学者 Matt Powell-Palm 表示：“据我们所知，这是有史以来第一份关于自律工程化人类心肌组织的过冷与复苏报告” 。
目前科学家们正在尝试将这项专利研究应用于临床，甚至拓展到心脏之外的其它器官组织。