Nature：死而复生！

小奇

2022-08-14

哺乳动物细胞需要氧气来维持细胞和组织的活力。缺血后几分钟内，出现细胞内酸中毒和水肿，并引发细胞膜和细胞器的继发性损伤，通常会导致细胞死亡。在全身范围内，激素和细胞因子会全身释放，随后会激活自主神经、免疫和凝血系统，导致终末器官损伤，最终导致全身代谢性酸中毒和高钾血症。

几十年来，科学家们一直在寻找保护细胞和器官免受中风、心脏病发作或呼吸停止后可能发生的氧气剥夺和重新引入的有害影响的策略。

在2019年Nature的一篇研究中，耶鲁大学医学院Nenad Sestan等人开发了一种名为 BrainEx 的技术，可以在长达 6 小时的缺氧后恢复猪脑细胞中某种程度的代谢活动。该策略涉及一种称为冷冻保护性灌注液的特殊液体，将其泵入大脑的血管。灌流液主要由含有血红蛋白的液体组成，还含有大量有助于保护细胞（冷冻保护剂）和防止血栓的分子。

近日，耶鲁大学医学院Nenad Sestan等人向全身性器官的恢复发起挑战，于此，他们开发了一种名为OrganEx的系统，该系统使氧气能够在猪的全身再循环，从而在心脏骤停1小时后保存细胞和器官。成果发表在最新一期Nature杂志。

OrganEx技术概括

OrganEx技术包括灌注系统和合成灌注液。灌注系统电路包括一个定制的脉冲发生器，该发生器连接到一个离心泵，该离心泵再现生理压力波形。该回路配备了一种专门针对长期缺血后电解质和代谢失衡的溶液，而自动血液透析滤过和药物输送系统则补充了灌注液。该灌注液是BrainEx 灌注液的改良版，现已针对全身兼容性进行了优化。最后，实时传感器能够监测重要的循环特性和代谢物。

图|OrganEx 技术和实验工作流程概述

OrganEx灌注后器官得以恢复

研究人员将 OrganEx与一种更传统的心肺替代装置（体外膜氧合系统 (ECMO)）进行了比较，ECMO系统可将携带新鲜氧气的猪自己的血液泵入体内。他们在猪中诱发心脏骤停，并在死后将它们放置1小时。然后他们进行了6个小时的全身再循环和再氧合。研究发现，ECMO 未能导致所有器官的适当灌注，作者发现许多较小的血管已经塌陷。相比之下，OrganEx 系统的使用导致完全再灌注和稳定的耗氧量，并且作者没有检测到典型的缺氧电解质紊乱和异常酸性体液。对脑、心、肺、肝、肾和胰腺组织的深入分析显示，与ECMO相比，OrganEx灌注后细胞破坏更少，细胞修复得到促进的证据更多。例如，研究人员发现更多的证据表明，灌注OrganEx的猪肾脏中存在细胞增殖。

图|部分器官的功能表征和代谢活动

OrganEx灌注至脑部，而产生意识？

有趣的是，在接受颈动脉注射造影剂进行脑血管透视成像时，OrganEx 灌注的动物在多个关节和肌肉单元的协调激动剂/拮抗剂作用下表现出复杂、无目的、非刻板的头部、颈部和躯干运动，而ECMO组没有这种现象。（此处有可能是灌注后部分脑细胞恢复状态，而存在意识（可能存在伦理争论））

研究人员继续深入了解缺氧后细胞损伤和死亡的机制。该小组对动物肾脏、肝脏和心脏中的基因表达进行了单细胞分析。这揭示了 OrganEx 和 ECMO 动物之间在涉及各种功能（包括细胞死亡和炎症）的基因表达方面存在显著差异。snRNA-seq 分析支持了细胞和组织水平发现，即在OrganEx干预后减少细胞损伤以及启动某些分子和细胞修复过程。

图|通过 snRNA-seq 在不同灌注干预中评估器官和细胞类型特异性转录组变化

总结与展望

这项全面且精心设计的研究有可能为心脏病发作或中风的人带来新的治疗策略。可以想象，OrganEx 系统（或其组件）可用于在紧急情况下治疗此类人。但值得注意的是，首先需要更多的研究来确认系统组件在特定临床情况下的安全性。

该技术的潜在应用是多方面的，可以为缺血研究和推进相关临床学科提供途径。OrganEx 有可能通过局部腹部/胸部再灌注来延长允许的热缺血时间的限制，从而增加器官移植的可用性。这种方法需要强制预先夹住主动脉/颈动脉，以防止器官供体中的大脑再循环（防止出现意识仍存现象，不符合伦理规定）。相反，如果该技术未来的任何改进可以针对受伤后大脑功能的恢复，那么大脑循环将保持优先性。因此，在可能使用 OrganEx 技术之前，应明确区分是否包含脑循环。

尽管我们的研究表明重要器官在有意义的时间点内具有重要的细胞保护和修复过程，但关于器官在较长时间内恢复的问题仍然存在。总体而言，仍需要进一步优化和扩展该技术，以充分了解其对缺血组织和恢复的更广泛影响。尽管此处的体内结果显示有望弥合缺血基础研究与移植医学或临床复苏科学之间的差距，但了解脑功能的恢复需要仔细考虑。特别是，需要进行深思熟虑的评估，以阐明为什么仅在 OrganEx 组注射对比剂后会发生头部和颈部运动。通过研究人员、生物伦理学家和机构委员会的严格伦理审查，未来对这些运动的表征可能会更好地了解心脏骤停或中风后的神经运动生物学和缺血性病理生理学。

参考文献：

1. 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

2. Vrselja, Z., Daniele, S.G., Silbereis, J. et al. Restoration of brain circulation and cellular functions hours post-mortem. Nature 568, 336–343 (2019).

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1099-1