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Science子刊封面：“纳米加热”让冻存器官满血复活
还记得漫威电影里的“美国队长”吗？在冰里冻了70年，还能活蹦乱跳的满血复活。还别以为这只是电影里超级英雄才有的技能，现实生活中也有超低温保存（cryopreservation）的技术，实验室冻存个细胞再复苏不是什么难事，甚至已经有机构在为人体的超低温保存提供服务。先别想入非非，这些机构只管“冻”和“存”，想要解冻复苏？对不起，目前还没办法。
图片来源：漫威
“玻璃化”（vitrification）是让细胞、器官甚至人体安全地“冻存”起来的关键。使用超低温保存技术和特制的保护液，在超低温下（零下160至零下196摄氏度），生物样本被冷却至无冰的玻璃态，避免了水结晶成冰过程对细胞结构和功能的伤害，可以长久地保存下去。真正的难题在于——冻存的生物样本怎么安全地“化冻”。解冻复苏过程中，最难啃的技术障碍是加热速率和受热均匀度。有研究证明，加热速率慢了，解冻过程中水分子会结晶，破坏细胞结构。另一方面，冻存的器官受热必须均匀，否则温差会产生热机械应力和裂纹，也会破坏柔弱的生物样本。目前比较成功的对流加热法，只能成功解冻体积为几个毫升的玻璃化组织样本，这对大多数器官组织都没有用。
这个难题不解决，带给人类的麻烦可不仅仅是冻存自己之后无法解冻。在医学日昌的今天，不少疾病可以靠器官移植来挽救性命。不过准备接受器官移植的病人往往要排很长的队，可能还没排到就已经去世了。造成这种局面的原因一是器官捐献来源仍然不足，二是器官在匹配到新主人之前的保存问题。前者是社会问题，后者则纯粹是一个科学问题。目前器官体外保存/恢复的方法还远不能让人满意。一些器官在体外可以短时间低温“保鲜”，心脏和肺为4h；肝脏、肠道和胰脏为12h；肾脏顽强一点，为36h。但这些器官在保存时间内匹配到新主人的概率并不高。据统计，每年有超过60%捐献的心脏和肺不得不因为无法及时移植而被丢弃。如果能解决安全“化冻”的问题，这些原本会被丢弃的器官完全可以通过超低温保存技术长久的保存起来，直到找到合适的新主人，这样需要这些器官的病人获得合适器官的机会也会大增。
图片来源：Sci. Transl. Med.
最近，事情终于出现了转机。Science子刊Science Translational Medicine以封面文章的形式，报道了明尼苏达大学John C. Bischof教授等人的重要成果。他们开发出一种基于纳米材料的磁力加热法，称之为“纳米加热（nanowarming）”，可以成功解冻大型动物的心脏瓣膜和血管，保存液的最大体积可以达到80毫升。这是器官移植领域的巨大突破。
John Bischof（右）与本文共同一作Navid Manuchehrabadi（左）、Zhe Gao（中）。图片来源：University of Minnesota
这项“纳米加热”技术的核心，是一种二氧化硅包裹的氧化铁纳米粒子。研究人员将这种特制的纳米粒子分散在器官的冷冻保护液中，接着使用非侵入性的电磁波激活它们，使每一个氧化铁纳米颗粒都变成器官组织周围的微型加热器，以100至200摄氏度/分钟的速率快速而均匀地加热组织，升温速率是传统方法的10倍以上，加热均匀性也能很好地保证。
“纳米加热”技术示意图，在磁场内冻存液和器官能实现均匀快速地升温。图片来源：Sci. Transl. Med.
该项技术的主角：二氧化硅包裹的氧化铁纳米粒子。图片来源：Sci. Transl. Med.
在从超低温保存状态通过“纳米加热”技术加热复苏之后，细胞水平的测试结果显示组织没有受到任何损害，而对照样品在冰上缓慢地回暖或者使用对流加热回暖都有不同程度的损伤。而且，不用担心纳米颗粒会污染器官，加热后研究人员可以轻松洗去它们。
“纳米加热”技术复苏的组织，在显微镜下与未冷冻的样本几乎没有差别，缓慢升温的组织已基本被破坏。图片来源：Sci. Transl. Med.
尽管80毫升的体积还不能立刻满足器官移植对整个器官进行保存的需求，但John Bischof教授等人对这项新技术的前景非常看好，他们已经申请了专利，并会继续优化此项技术。他们计划从较小的大鼠和兔子器官开始，然后放大到猪，最后，如果一切顺利，终极目标是人类器官。
另外，这技术的应用也不限于器官移植，对肿瘤的热疗也是其潜在的发展方向。
最后再回到最开始的话题，人体冷冻/复苏是不是也可以期待一下呢？
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Improved tissue cryopreservation using inductive heating of magnetic nanoparticles
Sci. Transl. Med., 2017, DOI: 10.1126/scitranslmed.aah4586
部分内容编译自：
（本文由氘氘斋供稿）