中国科学家发明新型“保护剂”,脑组织冷冻18个月可复活!

发布时间:2024年06月14日

看过《三体》小说的朋友也许还记得其中一颗冷冻的人类大脑被送往宇宙后被复苏,甚至克隆出完整躯体的情节。 最近,复旦大学脑科学转化研究院邵志成博士带领的研究团队在《Cell Reports Methods》杂志上,发表了一项低温保存脑组织的新技术,成功复活了冷冻长达18个月的脑细胞。小说里的技术在现实中就要实现了吗?

正常情况下,人体细胞时刻都在进行代谢和更新。催化各种生物化学反应的酶大多在接近正常体温的环境下活性最强。因此当温度降低,细胞的生命活动就会变得迟缓。在极低温度下,例如约零下196°C的液氮中,细胞的代谢和死亡过程几乎完全暂停,状态得以保留。低温保存技术对辅助生殖,器官移植,疾病研究,药物开发等都有重要意义。

创造低温环境很容易,但冷冻和解冻过程会对细胞造成致命的损伤。

细胞中含有大量水分,一旦被冻结,水的体积会膨胀,并形成尖锐的冰晶,把细胞“撑破”。日常生活中,冻过的肉和水果总是软塌塌的,正是因为细胞被冰晶破坏的缘故。

因此冷冻时要用到一类叫冷冻保护剂的物质,常见有甘油、蔗糖、二甲基亚砜等。它们的凝固点比较低,冷冻前用他们置换出细胞内的水分,能减少冰晶的形成。生殖细胞的结构和功能相对简单,含水量较低,目前冷冻保存精子和卵子的技术已经相对成熟。

具有病理特征的活体人脑组织是研究神经疾病的可靠模型。但样本获取并不容易,冷冻保存效果也不理想。脑细胞含水量高达80%,对低温损伤很敏感,而且脑组织功能结构复杂,传统技术无法保存大多数功能性神经元。

研究人员尝试用胚胎干细胞分化而成的“类脑器官”进行研究。这些类脑器官直径只有几毫米,但能发育出与人脑相似的多种细胞类型和三维结构。然而,长期培养类脑器官的成本高昂,限制了其应用。基于上述原因,目前药物测试等仍主要使用动物模型,这也导致了90%以上的候选新药在临床试验中失败。因此,建立能有效冷冻保存类脑器官以及真人脑组织的技术非常必要。

复旦大学的研究团队将9种低温保护物质作为备选,对皮质类脑器官进行冷冻保护。通过多次实验,他们发现以二甲基亚砜、甲基纤维素、乙二醇和一种细胞凋亡抵抗剂(Y27632)为主的组合效果最佳,并将这种新型保护剂命名为“MEDY”。

对培养期从28天到100多天的皮质类脑器官,MEDY在细胞结构和神经元生长活性方面实现了良好的保护效果。对于冷冻保存长达18个月的类脑器官,神经元和具有增殖能力的祖细胞也得到了理想的保存,解冻后的增殖活性接近未冷冻的细胞。MEDY同样适用于脊髓类脑器官等其他脑区的类脑器官,这对脊髓损伤等的后续神经移植治疗也有应用潜力。此外,研究人员还从一名9个月大的癫痫患儿的脑组织中采集了直径约3毫米的样本进行测试,结果显示,该脑组织在解冻后结构完整,并在培养基中保持了两周的活性。

从类脑器官到真实病人的脑组织,MEDY显示了良好的通用性。冷冻保存的模型可以更好地用于神经疾病的研究、药物筛选,推进再生医学领域使用神经类脑器官的临床治疗。 目前的成果仍然基于数毫米的微型组织,未来还需要对更多种类和更大体积样本进行深入研究。虽然距离科幻场景中冷冻整个大脑甚至完整人体的目标还有很长的路要走,但这无疑是我们向前迈出的重要一步。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者:徐斯佳

审核:李翀

出品:中国科协科普部

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