Nature:死而复生成为现实!死亡4小时后心跳恢复、脏器重启

2022-08-06 转化医学新前沿 环球科学

在猪死去 1 个小时之后开始的 OrganEx 全身灌注已经成功让时间逆转,将猪体内多个器官、组织和细胞的状态,一直往回拨,拨到了猪刚死亡而缺血不久的状态。

梅斯小编:记得2021年有一篇文章讲述生物机体内藏着一种“僵尸基因”, 会在人死后被瞬间唤醒,异常活跃,像是本能一般企图去复活死去的主人。见:大脑中竟然存在“僵尸基因”,人死了,它们却活了,如果把僵尸基因与这篇研究的灌注系统结合起来,未来可能会有更多的想象力!也许对于创伤救治,器官移植十分有价值。有兴趣的同学可以结合研究,申报国自然课题哦!

2019 年,美国耶鲁大学的神经科学家 Nenad Sestan 领导的研究团队发现给死去不久的猪脑安装灌注系统,能缓解脑组织的损伤,一些神经元能代谢、工作,甚至能产生典型的电脉冲。这一实验几乎颠覆了人们对死亡过程的认知。3 年后,他们首次通过给死去的猪全身安置灌注系统,令多个器官组织、细胞的功能恢复至猪刚死后不久的状态,而猪的心脏甚至会开始重新跳动。

一旦心脏停止跳动,就无法再向全身泵送血液,此时,人体内最小的活性单位——细胞由于缺少氧气、营养物质,会开始大范围死亡,组织、器官会不可逆地丧失功能。

一些研究发现,在血液循环停止后,细胞会出现酸中毒和水肿,导致细胞器和细胞膜受损,进而导致细胞死亡。在几分钟后,激素和细胞因子会在全身范围内释放,自主神经系统、免疫系统和凝血系统会因此被全面激活,但这个过程会导致器官再次受损,人体出现代谢性酸中毒和高钾血症。而很快,随着身体的每一个细胞死亡,身体也就迎来了死亡。

然而,正在遭受这一切的人几乎无法察觉,因为在缺血的几秒钟内,大脑就会耗尽氧气、丧失意识。几分钟内,大脑的一些脑区就会出现大面积的永久性损伤,此时根据大部分地区的定义,便可判定人已经死亡。

大脑并未完全死去

但是,这一切真的毫无回旋的余地吗?美国耶鲁大学的科学家 Nenad Sestan 领导的研究团队,对此提出了质疑。2019 年,他们在一篇发表于《自然》(Nature)的论文中,曾用猪脑进行了一项突破性的实验:从死亡 4 小时的猪体内取得大脑,并将其颈动脉、静脉连接到一个灌注装置(BrainEx)上。这个装置可以模拟心脏跳动,为猪脑提供人造血液。这些人造血液能将氧气和药物输送给细胞,防止脑细胞继续损伤。

这项突破性的实验,产生了让人惊奇的结果。他们发现猪脑内的动脉、静脉和毛细血管网均能正常工作。在连接 BrainEx 数小时后,一些脑组织的水肿减少,能维持良好的结构,其中的神经元、轴突和神经突触同样正常,而对神经元起支持作用的胶质细胞,也具有一定的活性。而且这颗大脑依旧还能消耗氧气和葡萄糖。这些现象都提示我们,大脑并没有完全死去,其中一部分细胞存活着,且具有代谢活性。

甚至,当研究人员用电流去刺激一些神经元时,它们还能产生一些典型的电脉冲。由此可见,在 BrainEx 的帮助下,那个看似死亡的大脑开始重新启动,产生了和活体几乎一样的细胞电活动。Sestan 说:“大脑是最容易因缺血受影响的器官。如果我们能在死去的大脑中,恢复一些特定的细胞的功能,那或许也可以在其他器官中做到相同的事情。”

恢复全身的血流

8 月 3 日,就在 Sestan 领导的研究团队发表他们在大脑中的发现 3 年之后,他们又在《自然》(Nature)发表了一篇重磅论文。这次他们发现,在雌猪(年龄 10~12 周,体重 30~35 千克)死亡 1 小时后,如果通过一种特殊的系统对其进行灌注,不仅能够维持脑细胞的活性,还能让猪体内其他器官中的细胞避免死亡,重新恢复功能。

这个特殊的系统是他们基于 BrainEx 研发的全身灌注系统 OrganEx。OrganEx 组成较为复杂,主要分为 2 个部分:灌注系统和合成的灌注液。灌注系统包括一个与离心泵相连的脉冲产生器、一个自动的血液透析器和药物输送系统。灌注的液体能改善因长时间缺血出现的电解质和代谢失衡。

全身灌注系统OrganEx中含有离心泵、脉冲产生器、血液透析器、药物传输系统,以及多个传感器。其中的灌注液主要含有血清蛋白,以及一些液体凝固和保护细胞的药物等。(图片来源:研究论文)

灌注液的主体成分是去除血细胞的血清蛋白液体,其中添加了多种保护细胞的药物成分和肝素(让液体无法凝固)。此外,他们还在这套系统中安装了很多个感受器,能随时监测循环液体的性质,以及其中的代谢物质。

有了这个系统之后,他们就能测试能否缓解在猪死亡时,全身细胞的死亡。研究者首先将猪麻醉,再诱导猪产生心室颤动——这会让这只猪在睡梦中死去。猪死去后,全身血液循环停止。几分钟后,猪就会脑死亡。

实验开始在猪死亡 1 小时后,虽然此前,他们将猪的躯体保存在温暖环境(36℃-37℃)下,但此时,它的血液已经开始凝固,出现了微血管功能障碍、全身性炎症以及凝血带来的细胞严重损伤。他们将 OrganEx 连接在猪的股动脉和股静脉上,这套系统会先抽取猪的血液,并与灌注液按 1:1 混合后,对猪进行长达 6 个小时的灌注。

OrganEx 的功能有点像临床上能替代心肺功能的膜氧合系统(ECMO)。在实验中,他们使用 ECMO 作为平行对照组,并另外设置 3 个对照组,分别是猪死亡后缺血不久(A组),缺血 1 小时(B组)和缺血 7 小时(C组)。ECMO 主要通过对猪自体的血液进行处理后灌注,在实验中,它能让部分器官充盈起来,但血管中的压力还是过低,无法维持正常的血液循环。

相比于ECMO(左),OrganEx(右)的效果更好,它能让死去1小时的猪体内的血管以及微血管保持充盈状态,能阻止组织继续损伤,帮助其恢复功能。(图片来源:研究论文)

而 OrganEx 的表现则更好,它成功在死去的猪体内建立了正常的血液循环,即使在死亡后几小时,猪的器官和血管依然都充盈着血液,脑部和肾脏中也出现了特征性的血流。这些都显示,在猪体内血液的流动、血压和氧水平恢复了正常。长期缺血带来的代谢性酸中毒和高钾血症已经消除了,且在尸体上出现的躯体僵直和尸斑,也消失了。

很多细胞还活着

既然血液循环和代谢特征已经恢复,那猪体内的细胞还好吗?研究人员首先关注了最易受缺血影响的海马 CA1 区和前额叶皮层的受损情况。一般来说,随着缺血时间延长,大脑中的细胞——神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞会不断消失。在 ECMO 组和死后放置 7 小时的猪(C 组),就是出现了这样的情况,且组织的完整性、蛋白质合成水平都在迅速丧失。

然而,在 OrganEx 灌注 6 小时后,猪这 2 个脑区的损伤和细胞数量(包括神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞),类似于猪死亡后缺血不久(A组)或缺血1小时后(B组)的状态。在 OrganEx 的帮助下,大脑中的细胞不再继续受损,且恢复了摄取氧气、消耗葡萄糖的能力。这些也再次证实了他们 2019 年发表的脑组织研究。

但改善还远不止如此,大脑中的神经元还恢复了部分功能和代谢活性。虽然没有出现整体的神经网络活动,但研究人员确实发现在协调多个肌肉和关节的药物的作用下,猪的头部、颈部和躯干出现了复杂的、没有目的和非定向的运动。只是,他们无法确认,这类活动是猪大脑中皮层的作用,还是猪脊髓和周围神经元的作用。不过,这种运动过程能出现,也说明猪的脊髓神经以及末端神经元还具有功能。

研究人员在猪头皮上的P3、T3和F3安装了电极,其中上中和上右分别为猪在麻醉和心室颤动发生后的脑电图谱。只接受灌注2小时后(从左到右第2张图),OrganEx组开始出现脑电活动,而明显的脑电活动出现在灌注3小时后(从左到右第4张图),此时也伴随着其头、颈和躯体的无定向性运动。而ECMO并没有使大脑出现脑电活动。(图片来源:研究论文)

器官仍有功能

随后,研究人员通过无差别采样,全面分析了心脏、肺、肝脏、肾脏和胰腺中组织和细胞的受损情况,包括组织的出血、水肿情况和细胞的核固化、形态改变情况等。相比于,ECMO 组和 C 组的情况,OrganEx 对这些器官的组织和细胞起到了很好的保护作用,细胞的情况与 B 组(死亡后缺血 1 小时)的情况相似,但这些器官的损伤情况——组织出血、水肿的情况明显变少。损伤评分显示,器官的情况更接近于 A 组(猪死亡后缺血不久)的状态。David Andrijevic 是耶鲁大学医学院神经科学领域的副研究员,也这篇论文的主要合著者之一。他说:“在显微镜下,很难区分一个健康的器官和一个死后用 OrganEx 技术处理过的器官。”

除此之外,他们还发现在 OrganEx 组中,一些高代谢率的器官如心脏和肾脏摄取葡萄糖的能力,也更接近 A 组(猪死亡后缺血不久)的状态。一些生化因子检测显示,心脏、肾脏细胞的功能都有一定程度的恢复,而在接受灌注 3 小时后,此时猪已死亡 4 个小时,猪心脏中的 QRS 波群(心电图上的波段)开始出现,说明心肌细胞仍然具有特定的功能。

在接受OrganEx灌注3小时后(此时猪已死去4个小时),OrganEx组中有4头猪的心脏中出现了QRS波群(上图)。其心肌细胞还有一定的功能,恢复了收缩能力(下图从左到右第3张),类似于猪死亡后缺血不久的状态(下图从左到右第1张)。(图片来源:研究论文)

由于 OrganEx 的灌注液中含有一些保护细胞的药物,它们能抑制心脏、肝脏、肾脏和胰腺中的细胞进入凋亡途径,能使得细胞的数量恢复到接近 A 组(猪死亡后缺血不久)的情况。此外,OrganEx 还能抑制其他的细胞死亡途径,包括炎症诱发的细胞死亡(焦亡)、细胞坏死和铁死亡,使这些细胞的状态接近猪死亡后缺血不久的状态。

在接受OrganEx系统灌注6小时后,猪的肾脏组织获得了改善,其状态类似于猪刚死亡缺血不久的状态(图片来源:研究论文)

研究人员通过对器官中的样本进行核 RNA 测序,揭示了器官在转录水平上的变化——也就是基因的表达情况。研究显示,与其他组相比,在 OrganEx 组中,一些基因存在明显的富集,它们的表达能促进细胞骨架的组装、DNA 修复、ATP 代谢,抑制一些主要的细胞死亡途径,包括凋亡、焦亡等。

此外,猪体内参与细胞炎症反应、损伤和死亡过程的基因,也都被抑制了,这能避免细胞结构损伤、细胞死亡和 DNA 破碎。在心脏、肝脏和肾中,器官特有的一些功能基因也在迅速表达,这也意味着特定的器官仍然保留着特定的功能。

器官移植的希望

由于监管上的要求,这项实验只能通过 OrganEx 对死去的猪灌注 6 小时。为了进一步验证 OrganEx 的效果,研究人员将猪脑中海马体组织的切片,继续培养了 14 天。在对照中,从 C 组的猪体内获取的样本已严重损伤,无法继续培养,而接受 ECMO 支持的组织,在 14 天内变得极其脆弱。但在 OrganEx 系统的帮助下,海马体组织切片不仅存活了 14 天,组织的完整性和蛋白质的合成水平依旧与 A 组(猪死亡后缺血不久)相当。

用OrganEx系统培养海马体组织切片14天后,其状态类似于死亡后缺血不久的海马组织(图片来源:研究论文)

可以说,在猪死去 1 个小时之后开始的 OrganEx 全身灌注已经成功让时间逆转,将猪体内多个器官、组织和细胞的状态,一直往回拨,拨到了猪刚死亡而缺血不久的状态。

荷兰格罗宁根大学医学中心的外科医生 Robert J. Porte(未参与这项研究)认为,OrganEx 系统将能很好地帮助那些因患有心脏病和中风,而徘徊在死亡边缘的病人。此外,这一系统或许能在器官移植中,发挥很大的作用,特别是当捐献者因为心脏停止而循环死亡时,OrganEx 或能更好地促进器官保存,进而拯救更多的人。

“OrganEx 无疑是一项令人兴奋的新技术,其将会有许多潜在的应用,”耶鲁大学跨学科生物伦理中心主任 Stephen Latham 说。“然而,我们需要对所有相关的未来研究,保持谨慎的监督,尤其是任何涉及大脑灌注的研究。”

论文信息:

Andrijevic, D., Vrselja, Z., Lysyy, T. et al. Cellular recovery after prolonged warm ischaemia of the whole body. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05016-1

参考链接:

https://www.eurekalert.org/news-releases/960519?

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1099-1

作者:clefable

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  1. 2022-08-06 病毒猎手

    #死亡#死亡后的#僵尸基因#应该是一种新死亡形式。加上这套灌流系统,能复活,确实惊奇!不过死亡一瞬间各器官组织变化并不大,而且系统的崩溃!即使各个器官都是活的,并不代表人是活的!恢复系统自组织可能更为困难。文章中方法对于因创伤等损伤导致的死亡,应该极有价值,对于自然衰老而死亡,不会有用#创伤修复#

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