環(huán)球科學
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2019 年，美國耶魯大學的神經(jīng)科學家 Nenad Sestan 領導的研究團隊發(fā)現(xiàn)給死去 4 小時的豬腦安裝灌注系統(tǒng)，能緩解腦組織的損傷，一些神經(jīng)元能代謝、工作，甚至能產(chǎn)生典型的電脈沖。這一實驗曾徹底打破了人們對死亡過程的認知。而今，3 年后，他們首次發(fā)現(xiàn)通過給死去的豬全身安置灌注系統(tǒng)，也能恢復將多個器官組織、細胞的功能，接近豬剛死后不久的狀態(tài)，而豬的心臟甚至會開始重新跳動。
一旦心臟停止跳動，就無法再向全身泵送血液，此時，人體內(nèi)最小的活性單位–細胞由于缺少氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)，會開始大范圍死亡，組織、器官會不可逆地喪失功能。
一些研究發(fā)現(xiàn)，在血液循環(huán)停止后，細胞會出現(xiàn)酸中毒和水腫，導致細胞器和細胞膜受損，進而導致細胞死亡。在幾分鐘后，激素和細胞因子會在全身范圍內(nèi)釋放，自主神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和凝血系統(tǒng)會因此被全面激活，但這個過程會導致器官再次受損，人體出現(xiàn)代謝性酸中毒和高鉀血癥。而很快，隨著身體的每一個細胞死亡，身體也就迎來了死亡。
然而，正在遭受這一切的人幾乎無法察覺，因為在缺血的幾秒鐘內(nèi)，大腦就會耗盡氧氣、喪失意識。幾分鐘內(nèi)，大腦的一些腦區(qū)就會出現(xiàn)大面積的永久性損傷，此時根據(jù)大部分地區(qū)的定義，便可判定人已經(jīng)死亡。
大腦并未完全死去
但是，這一切真的來得這么迅速嗎？毫無回旋的余地嗎？美國耶魯大學的科學家 Nenad Sestan 領導的研究團隊，對此提出了質(zhì)疑。2019 年，他們在一篇發(fā)表于《自然》的論文中，曾用豬腦進行了一項突破性的實驗：從死亡 4 小時的豬體內(nèi)取得大腦，并將其頸動脈、靜脈連接到一個灌注裝置（BrainEx）上。這個裝置可以模擬心臟跳動，為豬腦提供人造血液。這些人造血液能將氧氣和藥物輸送給細胞，防止腦細胞繼續(xù)損傷。
神經(jīng)科學家 Nenad Sestan （圖片來源：耶魯大學官網(wǎng)）
這項突破性的實驗，產(chǎn)生了讓人驚奇的結果。他們發(fā)現(xiàn)豬腦內(nèi)的動脈、靜脈和毛細血管網(wǎng)均能正常工作。在連接 BrainEx 數(shù)小時后，一些腦組織的水腫減少，能維持良好的結構，其中的神經(jīng)元、軸突和神經(jīng)突觸同樣正常，而對神經(jīng)元起支持作用的膠質(zhì)細胞，也具有一定的活性。而且這顆大腦依舊還能消耗氧氣和葡萄糖。這些現(xiàn)象都提示我們，大腦并沒有死去，其中一部分細胞存活著，且具有代謝活性。
甚至，當研究人員用電流去刺激一些神經(jīng)元時，它們還能產(chǎn)生一些典型的電脈沖。由此可見，在 BrainEx 的幫助下，那個看似死亡的大腦開始重新啟動，產(chǎn)生了和活體一樣的規(guī)律電活動。Sestan 說：” 大腦是最容易因缺血受影響的器官。如果我們能在死去的大腦中，恢復一些特定的細胞的功能，那或許也可以在其他器官中做到相同的事情。”
恢復全身的血流
8 月 3 日，就在 Sestan 領導的研究團隊發(fā)表他們在大腦中的發(fā)現(xiàn) 3 年之后，他們又在《自然》發(fā)表了一篇重磅論文。這次他們發(fā)現(xiàn)，在雌豬（年齡 10~12 周，體重 30~35 千克）死亡 1 小時后，如果通過一種特殊的系統(tǒng)對其進行灌注，不僅能夠維持腦細胞的活性，還能讓豬體內(nèi)其他器官中的細胞避免死亡，重新恢復功能。
這個特殊的系統(tǒng)是他們基于 BrainEx 而研發(fā)的全身灌注系統(tǒng)OrganEx。OrganEx 組成較為復雜，主要分為 2 個部分：灌注系統(tǒng)和合成的灌注液。灌注系統(tǒng)包括一個與離心泵相連的脈沖產(chǎn)生器、一個自動的血液透析器和藥物輸送系統(tǒng)。灌注的液體能改善因長時間缺血出現(xiàn)的電解質(zhì)和代謝失衡。
全身灌注系統(tǒng) OrganEx 中含有離心泵、脈沖產(chǎn)生器、血液透析器、藥物傳輸系統(tǒng)，以及多個傳感器。其中的灌注液主要含有血清蛋白，以及一些液體凝固和保護細胞的藥物等。（圖片來源于研究論文）
灌注液的主體成分是去除血細胞的血清蛋白液體，其中添加了多種保護細胞的藥物成分和肝素（讓液體無法凝固）。此外，他們還在這套系統(tǒng)中安裝了很多個感受器，能隨時監(jiān)測循環(huán)液體的性質(zhì)，以及其中的代謝物質(zhì)。
有了這個系統(tǒng)之后，他們就能測試能否緩解在豬死亡時，全身細胞的死亡。研究者首先將豬麻醉，再誘導豬產(chǎn)生心室顫動–這會讓這只豬在睡夢中死去。豬死去后，全身血液循環(huán)停止。幾分鐘后，豬就會腦死亡。
實驗開始在豬死亡 1 小時后，雖然此前，他們將豬的軀體保存在溫暖環(huán)境（36 -37 ）下，但此時，它的血液已經(jīng)開始凝固，出現(xiàn)了微血管功能障礙、全身性炎癥以及凝血帶來的細胞嚴重損傷。他們將 OrganEx 連接在豬的股動脈和股靜脈上，這套系統(tǒng)會先抽取豬的血液，并與灌注液按 1：1 混合后，對豬進行長達 6 個小時的灌注。
OrganEx 的功能有點像臨床上能替代心肺功能的膜氧合系統(tǒng)（ECMO）。在實驗中，他們使用ECMO 作為平行對照組，并另外設置 3 個對照組，分別是豬死亡后缺血不久（A 組），缺血 1 小時（B 組）和缺血 7 小時（C 組）。ECMO 主要通過對豬自體的血液進行處理后灌注，在實驗中，它能讓部分器官充盈起來，但血管中的壓力還是過低，無法維持正常的血液循環(huán)。
相比于 ECMO（左），OrganEx（右）的效果更好，它能讓死去 1 小時的豬體內(nèi)的血管以及微血管保持充盈狀態(tài)，能阻止組織繼續(xù)損傷，幫助其恢復功能。（圖片來源于研究論文）
而 OrganEx 的表現(xiàn)則更好，它成功在死去的豬體內(nèi)建立了正常的血液循環(huán)，即使在死亡后幾小時，豬的器官和血管依然都充盈著血液，腦部和腎臟中也出現(xiàn)了特征性的血流。這些都顯示，在豬體內(nèi)血液的流動、血壓和氧水平恢復了正常。長期缺血帶來的代謝性酸中毒和高鉀血癥已經(jīng)消除了，且在尸體上出現(xiàn)的軀體僵直和尸斑，也消失了。
很多細胞還活著
既然血液循環(huán)和代謝特征已經(jīng)恢復，那豬體內(nèi)的細胞還好嗎？研究人員首先關注了最易受缺血影響的海馬 CA1 區(qū)和前額葉皮層的受損情況。一般來說，隨著缺血時間延長，大腦中的細胞–神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞會不斷消失。在 ECMO 組和死后放置 7 小時的豬（C 組），就是出現(xiàn)了這樣的情況，且組織的完整性、蛋白質(zhì)合成水平都在迅速喪失。
然而，在 OrganEx 灌注 6 小時后，豬這 2 個腦區(qū)的損傷和細胞數(shù)量（包括神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞），類似于豬死亡后缺血不久（A 組）或缺血 1 小時后（B 組）的狀態(tài)。在 OrganEx 的幫助下，大腦中的細胞不再繼續(xù)受損，且恢復了攝取氧氣、消耗葡萄糖的能力。這些也再次證實了他們 2019 年發(fā)表的腦組織研究。
但改善還遠不止如此，大腦中的神經(jīng)元還恢復了部分功能和代謝活性。雖然沒有出現(xiàn)整體的神經(jīng)網(wǎng)絡活動，但研究人員確實發(fā)現(xiàn)在協(xié)調(diào)多個肌肉和關節(jié)的藥物的作用下，豬的頭部、頸部和軀干出現(xiàn)了復雜的、沒有目的和非定向的運動。只是，他們無法確認，這類活動是豬大腦中皮層的作用，還是豬脊髓和周圍神經(jīng)元的作用。不過，這種運動過程能出現(xiàn)，也說明豬的脊髓神經(jīng)以及末端神經(jīng)元還具有功能。
研究人員在豬頭皮上的 P3、T3 和 F3 安裝了電極，其中上中和上右分別為豬在麻醉和心室顫動發(fā)生后的腦電圖譜。只接受灌注 2 小時后（從左到右第 2 張圖），OrganEx 組開始出現(xiàn)腦電活動，而明顯的腦電活動出現(xiàn)在灌注 3 小時后（從左到右第 4 張圖），此時也伴隨著其頭、頸和軀體的無定向性運動。而 ECMO 并沒有使大腦出現(xiàn)腦電活動。（圖片來源于研究論文）
器官還有功能
隨后，研究人員通過無差別采樣，全面分析了心臟、肺、肝臟、腎臟和胰腺中組織和細胞的受損情況，包括組織的出血、水腫情況和細胞的核固化、形態(tài)改變情況等。相比于，ECMO 組和 C 組的情況，OrganEx 對這些器官的組織和細胞起到了很好的保護作用，細胞的情況與 B 組（死亡后缺血 1 小時）的情況相似，但這些器官的損傷情況–組織出血、水腫的情況明顯變少。損傷評分顯示，器官的情況更接近于 A 組（豬死亡后缺血不久）的狀態(tài)。David Andrijevic 是耶魯大學醫(yī)學院神經(jīng)科學領域的副研究員，也這篇論文的主要合著者之一。他說：” 在顯微鏡下，很難區(qū)分一個健康的器官和一個死后用 OrganEx 技術處理過的器官。”
除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)在 OrganEx 組中，一些高代謝率的器官如心臟和腎臟攝取葡萄糖的能力，也更接近 A 組（豬死亡后缺血不久）的狀態(tài)。一些生化因子檢測顯示，心臟、腎臟細胞的功能都有一定程度的恢復，而在接受灌注 3 小時后，此時豬已死亡 4 個小時，豬心臟中的 QRS 波群（心電圖上的波段）開始出現(xiàn)，說明心肌細胞仍然具有特定的功能。
在接受 OrganEx 灌注 3 小時后（此時豬已死去 4 個小時），OrganEx 組中有 4 頭豬的心臟中出現(xiàn)了 QRS 波群（上圖）。其心肌細胞還有一定的功能，恢復了收縮能力（下圖從左到右第 3 張），類似于豬死亡后缺血不久的狀態(tài)（下圖從左到右第 1 張）。（圖片來源于研究論文）
由于 OrganEx 的灌注液中含有一些保護細胞的藥物，它們能抑制心臟、肝臟、腎臟和胰腺中的細胞進入凋亡途徑，能使得細胞的數(shù)量恢復到接近 A 組（豬死亡后缺血不久）的情況。此外，OrganEx 還能抑制其他的細胞死亡途徑，包括炎癥誘發(fā)的細胞死亡（焦亡）、細胞壞死和鐵死亡，使這些細胞的狀態(tài)接近豬死亡后缺血不久的狀態(tài)。
在接受 OrganEx 系統(tǒng)灌注 6 小時后，豬的腎臟組織獲得了改善，其狀態(tài)類似于豬剛死亡缺血不久的狀態(tài)（圖片來源：研究論文）
研究人員通過對器官中的樣本進行核 RNA 測序，揭示了器官在轉(zhuǎn)錄水平上的變化–也就是基因的表達情況。研究顯示，與其他組相比，在 OrganEx 組中，一些基因存在明顯的富集，它們的表達能促進細胞骨架的組裝、DNA 修復、ATP 代謝，抑制一些主要的細胞死亡途徑，包括凋亡、焦亡等。
此外，豬體內(nèi)參與細胞炎癥反應、損傷和死亡過程的基因，也都被抑制了，這能避免細胞結構損傷、細胞死亡和 DNA 破碎。在心臟、肝臟和腎中，器官特有的一些功能基因也在迅速表達，這也意味著特定的器官仍然保留著特定的功能。
目前的意義
由于監(jiān)管上的要求，這項實驗只能通過 OrganEx 對死去的豬灌注 6 小時。為了進一步驗證 OrganEx 的效果，研究人員將豬腦中海馬體組織的切片，繼續(xù)培養(yǎng)了 14 天。在對照中，從 C 組的豬體內(nèi)獲取的樣本已嚴重損傷，無法繼續(xù)培養(yǎng)，而接受 ECMO 支持的組織，在 14 天內(nèi)變得極其脆弱。但在 OrganEx 系統(tǒng)的幫助下，海馬體組織切片不僅存活了 14 天，組織的完整性和蛋白質(zhì)的合成水平依舊與 A 組（豬死亡后缺血不久）相當。
用 OrganEx 系統(tǒng)培養(yǎng)海馬體組織切片 14 天后，其狀態(tài)類似于死亡后缺血不久的海馬組織（圖片來源：研究論文）
可以說，在豬死去 1 個小時之后，OrganEx 系統(tǒng)對豬體的全身灌注已經(jīng)成功讓時間逆轉(zhuǎn)，將豬體內(nèi)多個器官、組織和細胞的狀態(tài)，一直往回撥，撥到了豬剛死亡而缺血不久的狀態(tài)。
荷蘭格羅寧根大學醫(yī)學中心的外科醫(yī)生 Robert J. Porte（未參與這項研究）認為，OrganEx 系統(tǒng)將能很好地幫助那些因患有心臟病和中風，而徘徊在死亡邊緣的病人。此外，這一系統(tǒng)或許能在器官移植中，發(fā)揮很大的作用，特別是當捐獻者因為心臟停止而循環(huán)死亡時，OrganEx 或能更好地促進器官保存，進而拯救更多的人。
“OrganEx 無疑是一項令人興奮的新技術，其將會有許多潛在的應用，” 耶魯大學跨學科生物倫理中心主任 Stephen Latham 說。” 然而，我們需要對所有相關的未來研究，保持謹慎的監(jiān)督，尤其是任何涉及大腦灌注的研究。”
