近日，美國明尼蘇達大學(University of Minnesota)研究團隊表示，成功將大鼠腎臟長期冷凍和復溫，並且冷凍的腎臟在移植後能恢復完整的腎臟功能。該研究是科學家首次證實哺乳動物的器官經冷凍復溫後，可以被成功移植並維持生命。該研究在6月9日發表於《Nature Communications》。
 
如何讓器官再冷凍後仍能完全恢復功能，一直是科學及醫學界難以突破的問題。其中一個難題是由於細胞中的水分在冷凍時會產生冰晶，這些冰晶就像一把利刃割開細胞。再者，隨著水分不斷結冰，細胞中的鹽分會不斷被濃縮，濃度過高的溶液會對細胞造成傷害。此外，冷凍的器官進行復溫時，器官不均勻受熱導致膨脹和收縮同樣會使器官裂開崩壞。
 
科學家使用玻璃化(vitrification)技術來避免上述問題。玻璃化可以使組織中的水用更快的速率降溫，變成一種堅硬、光滑、類似於玻璃的非晶體固態結構，而不是變成冰晶，類似的狀態可見於陶瓷製造過程。不過，玻璃化只適用於100個左右的細胞和微小胚胎，無法應用於器官大小的組織。首先，玻璃化過程中需要加入冷凍保護劑(cryoprotective agent, CPA)，但藥劑無法均勻滲入器官大小的組織中。當器官較大，中心部位凝固的時間會拉長，導致形成冰晶。此外，冷凍保護劑有毒性，添加過多會對器官造成傷害。
 
團隊研發奈米復溫技術(nanowarming)，使較大的器官快速且均勻的復溫。利用氧化鐵奈米顆粒(iron oxide nanoparticles, IONPs)與CPA溶液一起灌注到血管中，使器官被玻璃化。再將其放入射頻(radiofrequency, RF)線圈中，流經線圈的電流，透過每秒36萬次的方向變化，產生強大的電磁感應，使分布在器官中的IONPs產熱，均勻將器官復溫。結束後將IONPs用沖洗液徹底洗淨，即可進行器官移植手術。
 
領導此研究的John C. Bischof表示，團隊已經成功將玻璃化後在-150℃保存了100天的大鼠腎臟復溫，並完成移植手術。術中，比較外表，奈米復溫的腎臟與新鮮的移植腎臟無異，也沒有血栓形成。功能表現比較，新鮮的移植腎臟在幾分鐘內就產生了尿液，奈米復溫移植腎臟則需要40-45分鐘。而在4℃下保存了60個小時的移植腎臟則已明顯出現了顏色改變、瘀斑等損傷的表現。
 
實驗結果顯示，五隻接受奈米復溫腎臟移植手術的大鼠均生存超過30天。這些大鼠的血清肌酐(serum creatinine，評估腎功能的指標)在移植後的2到3天達到頂標，在2至3周內恢復到與移植新鮮腎臟的大鼠相同的數據，並在第23天恢復到與健康大鼠相同的數據。此外，高血鉀症、代償性酸中毒等代謝功能障礙指標，移植後兩周內下降到正常數據。
 
Bischof表示，根據目前的研究結果，實驗的復溫程序都很順利，希望這項技術能延長器官的「保質期」，並有助於器官移植庫的建立，從而提高器官利用率和患者存活率。未來期待各種幹細胞、臟器、甚至皮膚、神經、血管和軟骨都能保存多年，直到適合他們的患者出現。
 
參考資料：https://www.science.org/content/article/how-to-deep-freeze-entire-organ-bring-it-back-to-life
https://mp.weixin.qq.com/s/xReAKjn0SJ-oLG4z8QKGeg
論文：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38824-8
 
(編譯/實習記者 黃珮嫻)