科学家发明“零损伤”复苏冷冻人体细胞技术,器官短缺问题将得到改善

2017-03-20 23:38:36来源: EEWORLD 关键字:冷冻人体细胞技术  医疗电子

近日,科学家发明了一种新型纳米磁加热技术,可以零损伤地复苏冷冻的人体细胞组织。下面就随医疗电子小编一起来了解一下想内容吧。

 

科学家发明“零损伤”复苏冷冻人体细胞技术,器官短缺问题将得到改善

冷冻人体,是指利用凝冰保藏(Cryopreservation)把组织长时间保存在液氮(-160°C)中,而在需要的时候,再把组织加热复苏的一种技术。

把冷冻的组织加热复苏而不产生损伤是一件非常困难的事情,这不但需要保证加热均匀,而且需要保持一定的加热速度。一旦这个过程中产生冰晶,所造成的机械力就会损伤细胞,大幅度降低组织活性。

而最近,科学家利用一种新型纳米材料磁加热组织,可以保证体积高达50毫升的生物组织以超过每分钟130°C的速度均匀加热,而不产生损伤。而此前,其他技术只能无损伤地加热复苏1毫升的生物组织,此技术突破了先前的技术极限,将体积提升整整了五十倍。

 

科学家发明“零损伤”复苏冷冻人体细胞技术,器官短缺问题将得到改善

冷冻保存人类器官一直都是大家梦寐以求的一种技术。暂且不提科幻电影中利用冬眠舱延长人类寿命,如果能够冰冻保存器官,器官短缺问题就能得到很好的解决。

调查显示,仅仅在美国,每天因等待器官移植而死去的人就高达22人。而器官短缺问题,很多时候不是因供体不够,而是因为捐赠的器官不能被长时间的保存,在到达患者之前就“坏了”,不具备生物活性了。

比如,心脏和肺只能在冰上存放最多四个小时;肝、小肠和胰腺只能存放8-12个小时。因此,超过60%的器官因来不及送达受体而不得不被处理掉。假设这些坏掉的器官能用一种合适的方式冻存起来,在到达受体以后复苏又不失活性,器官短缺问题就能大大改善。

科学家估计,只要这些被浪费的器官中,有一半能保存起来,那么在未来的两到三年内,将不再存在器官短缺这个问题。

玻璃化冷冻(Vitrification)是现在最先进的冷冻器官技术,已经有公司(Alcor)使用此技术冻存人类大脑。然而,面对相对先进的冻存技术,冷冻复苏技术的发展还相对迟缓。

这意味着,如果没有合适的技术,人类器官银行将只是个“幌子”,器官只能被冻起来,却无法被合理地“提取”出来。

 

科学家发明“零损伤”复苏冷冻人体细胞技术,器官短缺问题将得到改善

组织玻璃化冷冻,传导对流加热和纳米加热示意图。中间A-B是组织被放在防冻液中,在液氮中储存。左边C-D是传导对流加热,颜色从蓝到红表示温度从低到高,可以看到冻存管越靠外面温度越高,越靠近中间温度越低。右边E-F表示新型纳米磁加热,在均匀的磁场下,冻存管各个部分的温度接近相同,融化后细胞还有活性,组织还可以被再利用。

传导对流加热是之前加热冻存的小体积生物组织的“标准方法”。然而,一旦生物组织的体积变大,传导加热就不够均匀,会产生冰晶损伤组织,或者组织会因受热不均直接碎裂。

为了克服这一问题,科学家们祭出了“纳米微波炉”方法。

他们把直径50nm左右,镀有二氧化硅的氧化铁纳米颗粒(iron oxide nanoparticle (IONP) )和组织混在一起。再通过均匀的磁场加热组织(工作原理类似于我们烧菜的微波炉),使得组织的各部分以接近相同的速度升温,而不产生冰晶。当组织完全融化后,再把纳米颗粒洗去,得到相对纯净而又不失活性的组织。

他们试验了一系列猪和人的组织细胞,从小体积1ml到大体积50ml,使用传统对流加热复苏和新型纳米加热复苏进行比较。

在1ml的体积下,纳米加热和传统加热后的细胞有类似的存活率和生物机械特性。而在50ml的体积下,传统加热的细胞存活率降低了约80%,纳米加热的细胞存活率几乎没变。简单的说,纳米微波炉技术在小体积时和“标准方法”一样有用;在大体积时,可以成为新的标准方法。

 

科学家发明“零损伤”复苏冷冻人体细胞技术,器官短缺问题将得到改善

另外,科学家也在猪的劲动脉上使用此方法进行了冷冻再加热复苏。这样处理以后的血管和原始血管在长度和弹性上都没有显著区别,其他生物力学特性也几乎保持不变。

当然,这个研究现在还存在一些局限性,如果需要加热复苏整个器官,那么需要先把这些纳米颗粒均匀地注射到整个器官当中。这一技术难题,也是科学家下一步需要克服的问题。

另外,本实验并没有真正地成功将一个完整的器官冻存然后升温复苏。尽管我们离真正做到凝冰保藏整个器官还有一定的距离,这一纳米颗粒磁加热技术已经让人十分兴奋了。

“这是人类首次成功将大体积的生物组织从零下几百度摄氏度,升温复苏而且还保持活性”,明尼苏达大学机械工程学兼生物工程学教授约翰·比绍夫(John Bischof)说道。

他也是本研究的资深科学家之一:“我们突破了高温和低温的极限,而往往当突破极限时,你就会发现很多有趣的事情。这一研究实在太令人兴奋了,他将会为器官银行的建立提供技术支持。当然,它也会有巨大的社会影响力,可能会出现很多超越冷冻器官的应用。”

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编辑:李强 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/article_201703207410.html
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