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高压玻璃化冷冻保存器官

已有 2112 次阅读 2022-5-9 22:44 |系统分类:观点评述

冷冻保存人体的目的主要有二个:1.因为绝症或重伤(永生年代的死因主要是车祸等意外事故,冷冻技术成为永生年代的意外事故的救命之药)当时无法治疗,可以冷冻保存到技术发展到能够治疗的那一天,再解冻复苏并治愈;2.因为衰老当时无法返老还童,可以冷冻保存到技术发展到能够返老还童的那一天,再解冻复苏并返老还童;3.宇航员暂停生命,经过几千年远航后到达目的星球后解冻开始宇宙殖民探索活动。

体重越大,冷冻与解冻难度就越大,目前冷冻解冻技术根本上无法让体重几十千克的人体复活,就连体重只有10几克的小鼠也不能复活,因此,冷冻技术必须来个颠覆性创新。

冷冻过程的降温与解冻过程的升温都会产生冰晶,冰晶会刺破细胞膜,破坏细胞内部结构,这是导致生物死亡的原因。因此,如何抑制降温与升温过程冰晶的产生,是决定冷冻人能否复活的关键问题。有人设想用纳米机器修复细胞损伤,这是行不通的,因为修复损伤过程需要识别何处损伤,损伤类型,这需要有足够的智能,但纳米机器太小,根本装不下微电路,此外,纳米机器根本无法在充满蛋白质等物质的坚实的组织细胞中移动。

至于冷冻与解冻过程产生的冰晶,有可能会把神经元上与记忆有关的突触连接破坏掉一部分,会不会导致记忆信息丧失的问题?我认为,大脑记忆是全息性的,因为我们大脑每天都有个别神经元死亡和新生,突触连接的删除和再生连接,但记忆并没有被全部清空,只是不重要的记忆信息越来越模糊而已。就象全息照片一样,不会因为撕成碎片而看不到图像全部,只是照片的碎片越小,图像越模糊。因此,冷冻与解冻过程被冰晶破坏掉一小部分的神经元和突触连接不会造成原有记忆的丧失。

至于冷冻保存整个人体还是保存人头问题?我认为,保存整个人体最好,因为只保存人头的,在将来解冻复苏时要把人头移植到用人头自己的细胞克隆的身体,我们不能保证用自己的细胞克隆的身体没有一点免疫排斥。由于细胞经过分裂克隆的操作过程,DNA已经发生了突变,而免疫系统对只要有一丁点突变,都能发生免疫排斥,依据是:1、人胰岛素B链第30位氨基酸是苏氨酸,而猪胰岛素是丙氨酸。仅这一个氨基酸的差异,人长期使用猪胰岛素就容易诱发抗体产生排斥;2、2011年5月13日在《Nature》杂志的一篇文章报道:《重编程细胞同源移植也会排斥》:美国加州大学圣地亚哥分校的研究者把小鼠体细胞重编程的iPS细胞分化的成体细胞移植到细胞来源的小鼠体内,本来以为遗传背景相同不会发生排斥,可小鼠却快速排斥移植来的细胞;3、ips细胞分化的成体细胞的移植,目前只限于免疫豁免器官,如眼睛,主要原因是在非免疫豁免器官,免疫系统会把移植物当成异物排斥掉。

冬眠就是通过降低体温和新陈代谢率来睡大觉。冬眠涉及到很多基因的协调表达,人类身上可能有冬眠的相关基因。用进废退,几百万年的自然选择,人类的冬眠基因群已经突变退化掉了,因此要想让人类实现冬眠可能性很小。为了度过炎热干燥的环境,有的动物还会夏眠。夏眠的动物体温不一定降低,但新陈代谢率还是要降低的。人体冬眠现在都做不到,但以后可以采用基因编辑技术或质粒传染技术使人体内细胞制造冬眠相关物质来实现人的冬眠。

休眠是动植物完全停止新陈代谢的过程。有些种类的苔藓干燥上百年,一旦有水就会马上复活,但是,人体不能采用干燥保持,因为干燥会使大脑皱缩,破坏三维结构;很多微生物体和孢子都有休眠的功能;仙女虾(丰年虫)在开水中煮不死,冻不死,它的卵干燥几百年不会死;卷柏(九死还魂草)也是干不死、冻不死和煮不死的。1983年夏天,我用保温瓶煮绿豆汤,水温80-90度煮半天,大部分绿豆煮烂了,但有少数煮不烂的绿豆称为“铁绿豆”或“绿豆鬼”,我把不煮不烂的绿豆洗干净,放在温暖湿润的条件下,并且每天清水洗一次,几天后竟然会膨大露出白芽来,虽然最终腐烂掉,但是能够露白芽说明还保持一定的生命力。

如果以非常快的速度降温,就不会产生冰晶,称玻璃态冰。但是,人体的体积太大,外部能够快速降温,内部却无法快速降温。升温过程也是如此。

水在2000个大气压下慢速降温也能产生玻璃态冰,但是,人体组织细胞只能承受1000个大气压的静压,因为压力再高一些,蛋白质的特定空间构象就会遭到破坏而失去活性,即蛋白质的变性。大肠杆菌能承受2000个大气压。可以可以做个实验:在1800个大气压下不添加抗冻剂能否冷冻复活大肠杆菌。

水熊虫除了干不死,冻不死,热不死外,水熊虫还能耐受5000个大气压。因此,要实现人体冷冻保存,我们要向水熊虫等生物学习。这篇《水熊基因研究发现抗辐射分子》说,严重脱水能对生物分子造成严重破坏,甚至能像x射线一样打破DNA。但水熊蛋白(amage suppressor,Dsup)帮助细胞DNA对抗放射线和脱水的破坏。这种蛋白能将人类细胞X线诱导的损伤大约减少40%。

室温和一个大气压下的空气分子,每秒碰撞达65亿次,即使低温固态中,分子热运动每秒振动也有几亿次,有一定概率的分子原子的振动的动能会大于化学键能,我们知道,蛋白质酶都有特定的空间构象,分子原子的振动会把这些结构振坏掉,使酶活性慢慢丧失,因此,冷冻保存时间越长,复活希望越渺茫。由于酶在活细胞中是不断破坏与合成补充的,当细胞脱水干燥时,补充就停止了,但破坏依旧进行,这是导致细胞脱水死亡的原因。但是,苔藓类植物、铁绿豆、水熊虫和仙女虾等生物具有耐热性或脱水几百年不会死,复水即可复活。原因是有一些小分子化合物在脱水时可以保持酶蛋白质不会丧失活性。例如,苔藓干燥几百年也不会死,是因为苔藓细胞中含有称茧糖蜜的物质,它可以阻止酶的特定的空间构象被破坏掉。

一些生物会分泌一种叫做“海藻糖(trehalose)”的物质,海藻糖会在细胞内形成一种玻璃状物体,来稳定蛋白等重要物质。他可以控制水分子在低温下膨胀(细胞中水分子高度膨胀是致命的)。南美洲的沙漠中的风滚草,当水分不足时就会把根从土壤里拔出来卷成球,风吹它就会在地面上滚动。一旦滚到水分充足的地方,根会重新钻到土壤里,立即复活!摇蚊幼虫和水熊虫干燥会停止新陈代谢,复水复活,叫“隐生”现象。这是因为该植物体内含有充分的海藻糖。来。菌菇类、海藻类、豆类、啤酒及酵母发酵食品中均有含量较高的海藻糖。研究表明,海藻糖对生物分子能起到非常重要的保护作用,可以保护细胞免遭脱水的伤害。海藻糖可作为稳定剂,降低疫苗的贮存和运输成本,且保证了长距离运输疫苗仍可保持相当高的活性。

1998年, Mukoroh等在保护剂中加入0·96mol/L海藻糖,大大增强了小鼠肝线粒体丙氨酸转移酶的稳定性,其半衰期从未加时的1h-4h提高至85h。也已经有人在冷冻干燥保存细胞的抗冻液中添加海藻糖,发现能显著提高细胞复活率。各种种子可以晒干保存可能与细胞中含有海藻糖有关吧!

但学者托马斯·布思比(Thomas Boothby),只有一些水熊会分泌海藻糖,“一部分貌似并不产生海藻糖,或者是是因糖量太低我们检测不到。”他还说到:“我们知道,水熊会分泌一种‘保护剂’,但那东西具体是什么还是个未解之谜。”

鸡蛋加热煮熟是因为蛋白质特定的空间构象遭到破坏,高压也能使鸡蛋熟透,原理也是高压能使蛋白质特定的空间构象遭到破坏,有些能保护蛋白质酶活性的小分子是通过保护蛋白质特定的空间构象的完整性来防止酶失活的,因此,把蛋白质特定的空间构象保护剂添加到抗冻液中,然后在2000个大气压下就可以慢慢降温使人体细胞实现玻璃化冷冻。一旦实现了玻璃化,就可以在常压低温下长期保存了人体了。

高压冷冻方案就是往抗冻液添加蛋白质特定的空间构象保护剂,注入人体并降温到没结冰,然后在2000个大气压下降温到玻璃态,再放进液氮常压保存。解冻过程也是放在高压下慢慢升温,然后常压下复苏。

也许特别配制的抗冻液玻璃化压力可以降低到500个大气压。

这篇《新发现:组织和完整器官可“玻璃化”冷冻保存》说的,俄勒冈州立大学工程学院(the College of Engineering at Oregon State University)的研究人员发现了实现“玻璃化”低温贮藏的新方法,开始先使用低浓度冷冻保护剂与细胞接触,并且给予细胞适当的时间膨胀,随后迅速地加入高浓度冷冻保护剂使细胞达到“玻璃化”状态,这样能够降低冷冻保护剂的毒性。同时,细胞存活率能够从传统方法的10%提高至80%。

除了海藻糖,L-脯氨酸是一种中性化合物,不带正负电荷,溶解度高,又可调节细胞渗透压,毒性低,对许多酶蛋白质有保护作用,可以用来防止高浓度溶液对细胞造成损伤。在耐寒动物体内也发现了具有高生物相容性的冷冻保护剂,例如,L-脯氨酸、海藻糖、抗冻蛋白及其衍生物《Trends in Biotechnology综述丨仿生型低温保存材料及技术》。孢子脱水也不会死亡,二甲基吡啶羧酸,是放线菌孢子内物质,具有抗热等作用,也可用来保护酶蛋白质的稳定性。

含有蛋白质特定的空间构象保护剂的生物包括苔藓、卷柏、水熊虫、铁绿豆、仙女虾等,这些生物的共同特点是耐高压,耐低温,耐干燥,耐热,可以作为研究分离出蛋白质特定的空间构象保护剂的材料。例如,卷柏在70-80℃时不会死,干燥上百年不死。仙女虾可以在沸水中游泳。据报道,发芽的小麦晒干会死掉,但浸泡过从苔藓中提取的茧糖蜜(可能是海藻糖)晒干后,几天后加水又复活了。但是,生活在万米海沟的耐高压鱼等生物,体内是没有蛋白质特定的空间构象保护剂的,只是它们的细胞和蛋白质的特定的空间构象适合了高压,压力减少就会变构失去活性,使这些鱼类在低压环境中反而会死亡。

海藻糖能用于血浆、酶和细胞的干燥保存,器官冷冻保护液,海藻糖能阻止酶发生不可逆的热凝聚-热变性,与分子伴侣的功能相类似,实验中将一些分子伴侣与海藻糖共同使用,能进一步扩大对酶具有热稳定和热激活作用的温度范围。另外海藻糖并不是对检测的所有酶都有热稳定和热激活的作用,说明只有一些蛋白可能具有海藻糖识别和作用的位点[http://www.a-hospital.com/w/%E6%B5%B7%E8%97%BB%E7%B3%96]。因此,高压冷冻保护液除了添加海藻糖和L-脯氨酸外,还需要尝试添加其它的分子伴侣物质。

如何让蛋白质特定的空间构象保护剂透过细胞膜进入细胞内或采用基因技术或mRNA药物让细胞自己合成可能是高压冷冻保存人体成败的关键。-原创:黄必录



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1 许培扬

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