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200610 -- 冰凍長生夢——我們20年後再見
中國網 | 時間: 2006-11-16  | 文章來源: 新知客

    低溫可以延長生命

    在1965年出版了羅伯特•埃丁格爾所著的《永生的希望》之後,人們才認識到人體冷凍與活動暫緩的概念。目前,關於低溫可以延壽的概念已為科學觀察與實驗所證實。

    近年來科學家們已經發現了生命可以在一種特別的,甚至是我們難以想像的環境下生存。例如,2005年2月,德國的阿科瑟爾•辛佩斯(Axel Schippers)教授對美國《自然》科學雜誌宣稱,北冰洋之下,沉積著無數的生命。在400米深的水底,雖然氧氣十分稀缺,但是許多細菌和微生物在這樣的條件下處於休眠狀態,經過了160萬年的時光,卻沒有死亡。當條件重新適合時,它們還能甦醒。那麼,在類似的低溫和缺氧環境中,人類又會如何呢?生物醫學研究者從來沒有放棄對這些設想的研究。從降低人體體溫的角度出發,他們在手術室裏對人的身體和外部環境進行改變。例如1991年,美國斯坦福大學神經外科教授加裏•斯坦博格將患者腦部溫度降低了3C,以便進行大腦手術,但這次手術最終失敗了,因為它對病人的腦部神經造成了一定的損壞。同樣是在美國,哥本哈根研究所的丹麥研究員拉爾斯•卡梅斯加德曾經讓不穩定性冠脈綜合徵患者接受4個小時的低溫治療,兩名患者的體溫被降低了1.3C,患者在這種治療的維持下存活了6個月。休斯敦神經學家詹姆士•加弗證實,當人體心臟迴圈停止之後,將人體的溫度控制在33C,能保證人的腦神經仍然存活24小時。更多的實驗還在繼續,位於日本大阪的腦神經研究中心給不穩定性冠脈綜合徵的嚴重患者戴上一種治療頭盔,使大腦的溫度降低2-3 C。如今這些研究和技術已經進入了一個新的醫學領域。由英國倫敦和布裏斯托爾市的234名患有先天性嚴重缺氧症的嬰兒的調查數據顯示,在一段痛苦的折磨之後,大部分患病嬰兒仍然會死去,他們剛生下來的42個小時是最危險的時期,此時他們會全身冰冷,有的還伴有痙攣現象。而美國匹茲堡兒童醫院的醫生,大衛•安德森的實驗證明,如果將這些嬰兒出生後立即進行一種冷凍處理,讓他們的體溫保持32-33C約48小時,他們的死亡率和傷殘率將大大降低。然而至今為止,我們都不能保證在人體不死亡的情況下將人體溫度降低到30C以下。卡羅•扎卡納羅教授説:“在28-30C的溫度下,人體的心臟將無法正常活動,而到了27-28C心臟的纖維血管將無法正常工作(心臟細胞各個部分的跳動將無法保持同步)。”

    避免由於缺氧而使細胞受損

    儘管現代醫學仍不能做到絲毫無損地冷凍人體,或者在不損傷其他器官的情況下使心臟維持跳動,但在自然界中卻存在動物將腦細胞活動量減至最小,其狀態類似于深度昏迷的例子。這就是一般被稱為低溫下的冬眠現象或深度休眠。有許多哺乳動物、兩棲動物、昆蟲以及魚類都有這種本領:在數十天甚至若干個月中保持生命進程的暫停。所有的這一切都説明瞭不同的生物都有生命暫停的本領,這種現象在科學界被描述為:能産生能量的新陳代謝速率急劇減少,同時細胞的分裂速度也急速降低。令人驚訝的是,這些進入休眠狀態的生物,幾乎是在一種極端的氣候、溫度或缺少氧氣(甚至是受到極端傷害)的情況下産生了這種能力。許多歐盟的學者們因此認為,這種能夠使生命暫時中止的情況同樣存在於我們的細胞體中,理由是我們應該延續了最早居住在這個星球的微生物的能力,因此有些科學家便用硫化氫創造出極端的條件,或者在實驗中排出試驗品體內的血液。

    如今科學家們面臨最主要的問題是:如何避免由於血液在體內迴圈而造成的缺氧使細胞受到損傷。其最有效的做法便是大幅度地降低細胞的活動。但是又如何才能做到這一點呢?完全的冰凍,或是深度睡眠,一些動物表現出了其無與倫比的能力來掌控二者之間的界限。我們可以來看看這樣一個例子:每當冬天來臨時,加拿大的樹蛙——這種住在陸地上而不是棲息于湖泊或沼澤裏的樹蛙便將自己整個冰凍起來。當人們將它扔向地面時,甚至能聽到如同用石頭碰擊地面發出的“咚咚”聲。在很短的時間內,冰滲透了樹蛙體內所有原本有液體流動的部分,胃部的空間也被冰所填充,其他的器官也同樣被快速冰凍。大片的冰體凝結在肌肉及表層皮膚之間,眼睛也由於冰晶而變成了白色。與此同時,樹蛙體內的血液也停止了迴圈,身體中65%的水凝固成了冰。它的呼吸、心跳以及所有的肢體活動全部停止,這種形態將一直保持到解凍。

    一般來説,生物體體內的器官組織在冰凍的過程中將會受到無可挽回的損傷。這些細小的冰晶能夠刺破血管,擠壓細胞使之變形並最終破裂。同時在解凍的過程中,這些冰晶同樣能夠破壞細胞結構的平衡,並最終造成極大的損傷。就算細胞壁沒有破裂,細胞也會處於脫水狀態,滲出的細胞液則會結成更多的冰晶——細胞最終也會由於萎縮而受到損傷,而血液的凍結也會破壞血液及養分在各組織之間的傳輸,最終將會導致人體新陳代謝功能的癱瘓。那麼樹蛙是如何避免如此可怕的傷害的呢?首先,它會採取有效的方法來控制凍結的過程。通過研究發現,它並不是安靜地等待凍結的開始,而是會分泌出一種特殊的蛋白質,使結凍緩慢,並使體溫逐漸下降到0C以下,這樣就使得樹蛙有時間調整體內必需的新陳代謝,從而使之能夠持續生存下去。來自美國俄亥俄州的動物學教授喬•康斯坦索説道,“如果我們將樹蛙置於冰櫃中的話,無疑它將會被殺死。”樹蛙所採取的另外一種措施,也可以説是所有能夠自我凍結的動物都會採取的方法,便是避免冰晶破壞細胞內部的結構。其方法是將冰晶限制在細胞的外部空間,使其內部的細胞液不會被凍結。

    加拿大樹蛙的天然防凍液

    “這種樹蛙通過兩種途徑來達到凍結的目的,”低溫冷凍科學的先驅者之一康斯坦索説道,“水分分佈在血液中,通過心臟、肺部、肝臟,以及其他的主要器官之後排出體外,同時它也形成了皮膚表層下的一道‘護城河’,使得冰凍無法造成損傷。另外一點就是樹蛙在開始凍結之時,便開始聚集體內的糖分、酒精並與水分溶合,這樣,當氣溫下降時,便會在細胞內形成一種黏稠的液體,使細胞不會受到破壞。這就有點類似于汽車的防凍液。此外,這種樹蛙還有其他的自我保護措施,在凍結的過程中凝血劑會快速發生作用,從而避免任何來自於冰晶的危害。”康斯坦索目前正在尋找當氣溫下降時,能使樹蛙體內的各種組織停止活動的某些化學物質,並進一步了解在凍結之後他們是如何活動的。這種兩棲動物究竟是怎麼做到的?心臟是否比大腦先凍結?當血液到達已處於固體狀態的大腦時會發生什麼現象?如果血液被堵在那裏是否會發生爆裂呢?或者如果大腦比心臟先凍住,那麼它又是如何獲得氧氣的呢?康斯坦索希望自己能夠解決更多有關這類生物疑問,從而能夠改善人類醫學,以及使那些用於移植的器官能夠在離開捐獻者身體後保存更長久的時間。“如今,我們已經看到了這種能在短時間內使自身完全凍結的兩棲動物了,而我們卻無法使之實現,哪怕是在某一個人體器官上。”如果我們也像樹蛙那樣,通過向體內注射大量的糖分來提高體內的糖的含量,那會如何呢?康斯坦索警告説,這並不是一件容易的事情,因為樹蛙的體內有特殊的結構,才使得其細胞既能承載過多的葡萄糖,同時又能不停止體內迴圈系統的運作。然而,加利福尼亞大學的博利斯•魯賓斯基教授在一次實驗中將一隻老鼠的肝臟取出,然後注入甘油,他希望這種化學物質能夠像葡萄糖一樣在器官中起到相似的作用。他把這個注入了甘油的肝臟凍結之後又解凍,並最終成功地移植到了另外一隻老鼠的體內。另外還有一些學者經研究發現,生存在兩極的魚類體內也能夠分泌出一種類似于防凍劑的物質。科學家們使用這種從魚類體內提取出來的混合物,成功地將一顆豬的心臟在0C以下的條件中保存了24個小時,並順利地移植到了另一隻豬身上。研究者還發現,通過降低對氧氣的消耗來實現休眠,這在動物界的確是可行的——保持無氧狀態24小時以上並不會死亡的生物就有:酵母菌、蠕蟲、瓜果中的小蟲、青蛙(冬眠時)和一些微小的魚類。從對這些動物、微生物的研究,我們知道,它們在休眠還是真的死亡之間有一個精確的計算,就像一片鋒利的刀片將生與死劃分開來。如今,專家們對一種大約1毫米長,名叫“秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)”的蠕蟲進行研究後發現,當空氣中的氧氣含量降低到一定程度(從原本的21%降低到0.1%),這種線蟲的細胞就會降低活性——它隨之進入休眠狀態。如果空氣中的氧氣含量超過0.1%,細胞就不會停止活動,仍然保持運作。但由於氧氣不足,它會進行自我消耗。這樣的規律不僅僅適用於蠕蟲。匹茲堡一組研究人員發現,任何動物在一種特殊的條件下都能進入休眠狀態,並不會對自身造成傷害,甚至狗也一樣。只要通過鹽來降低身體內部溫度,適當改變它的血液流量、氧氣的輸送量,這一切是可以實現的。

    昏迷、冬眠和冷凍保存

    身體冷凍保存、冬眠、深度昏迷和休眠(活動暫緩)並不是一回事。它們的區別在於大腦的活動:長期深度昏迷和身體冷凍保存狀態下的大腦細胞也是被凍結的,這意味著它們通常是無法恢復重新活動,也就是説死亡。而休眠和冬眠狀態下的大腦細胞仍然是活的,有一定的活動,只不過那是細胞的代謝活動降到最低。實際上,47%處於休眠狀態下的生物都能進行再生。瑞士伯爾尼大學的彼特•瓦爾馮教授向人們展示了他的研究成果:他對32名重病患者進行了冷凍術治療實驗(將體溫降至17C-25C),此時病人的體內迴圈系統幾乎完全停止,一段時間之後,再讓他們恢復,結果有15人安然無恙地甦醒。如今已經有很多促使人們休眠(安眠)的藥物了,服用這些藥物之後,人可以很快進入睡眠,甚至大大降低身體細胞對氧氣的需求,同時血管和一切身體的迴圈都減慢了速度。美國阿拉斯加州研究者布賴恩•巴恩斯和凱利•佐爾的研究表明,當動物處於清醒狀態時,受到外部某種強烈的刺激很可能會使大腦儲存的資訊喪失,並使腦組織受到損傷;而同樣強度的刺激在動物處於休眠狀態時,對大腦組織和記憶都是沒有任何不良影響的。因此,研究者推測可以利用休眠的方法來治療人類的癌症,因為癌症患者需要接受大量放射性治療,這種治療對人體細胞組織,特別是大腦有很大負面影響。如果使病人處於休眠狀態,這種傷害就會大大降低。而休眠技術的另一項重要應用就是用來降低人體器官和組織細胞的新陳代謝,使它們在進行器官移植之前能夠保存更長的時間。此外,休眠技術能夠在不穩定性冠脈綜合徵患者和脊柱嚴重意外損傷突發後,為醫療爭取更多的時間,它能降低傷病者的細胞及組織的損壞程度。總之,我們必須在將體溫降低到30 C的方法之外(這種方法可以達到休眠目的,卻會給人造成傷害),另外尋得一條(實現人體休眠技術)的可行之路。技術的核心就是降低人體細胞的新陳代謝,同時又不會對那些細胞進行破壞,那要如何使它實現呢?今天,我們有三個發展方向。其中兩種方法都是採用減少氧氣需求的方式,第三條路,也是被大部分研究者接受的,即是利用分子合成技術。

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