科学家开发纳米加热技术，将器官冷冻保存期延长至100天
“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 埃里克·B·芬格（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）
近日，相关论文以《玻璃化和纳米加温可在大鼠模型中实现长期器官冷冻保存和维持生命的肾移植》（Vitrification and nanowarming enable long-term organ cryopreservation and life-sustaining kidney transplantation in a rat model）为题在 Nature Communications 上发表 [1]。随后，又被 Science 报道，并被选为当期期刊封面 [2]。
图丨相关论文（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