科學家們通過防止冰晶通常會造成的微觀損傷，在安全冷凍和複蘇腦組織方麵邁出了重要一步。
如果可以將活體組織冷凍數年甚至數十年，之後再將其複蘇而不喪失功能，那會怎樣？為了實現這一目標，科學家們從一個意想不到的靈感來源——西伯利亞蠑螈——身上找到了答案。這種體型很小的兩棲動物能夠在地球上最嚴酷的寒冷環境中生存。
據一些報道，西伯利亞蠑螈能在接近零下50度的低溫下保持冬眠狀態，並能在永久凍土層中被困數十年之久。一旦環境回暖，它們便會恢複正常活動。研究人員表示，其中的奧秘在於這種動物非凡的天然“防凍”係統。
蠑螈的肝髒會產生甘油，這種醇類物質可以降低體內冰點，幫助保護細胞和組織在凍融過程中免受損傷。如果沒有這種保護，極寒天氣通常會對生物體造成毀滅性打擊，因為冰晶會在組織內部形成。
“冰晶的形成是極寒天氣通常對生物體造成嚴重危害的原因，”埃爾蘭根大學醫院分子神經病學係的亞曆山大·格爾曼博士解釋說，“這是因為冰晶會對細胞造成機械損傷，從而破壞組織中敏感的納米結構。”
組織液凝固成玻璃狀狀態
人類胚胎也可以通過極低溫冷凍保存多年。為了實現這一點，需要用化學物質處理細胞，這些物質類似於甘油，可以阻止冰晶的形成。 “當冷卻到零下130度以下時，組織也會凝固，”格爾曼說，“然而，細胞內部和細胞間的水分會轉變為類似玻璃的狀態。”玻璃和冰一樣是固體，但它的分子排列是隨機的，而不是像晶體那樣有序排列。
這個過程被稱為玻璃化冷凍。然而，迄今為止，研究人員仍無法以某種方式冷凍神經組織，甚至整個腦區，使其在解凍後恢複功能。一個主要障礙是，該過程中使用的防凍物質可能對脆弱的細胞具有毒性。腦組織尤其脆弱，因為它包含數億個神經細胞，這些細胞通過無數稱為突觸的微小連接點相互連接。神經元通過這些連接進行通訊。
優化防腐劑和冷凍工藝
早期的玻璃化冷凍技術會破壞這種複雜的網絡，並損傷突觸。即使細胞本身存活下來，保存下來的結構也無法正常工作。 “然而，我們已經優化了防腐劑的成分和冷卻工藝，從而確保神經組織保持完整，”格爾曼強調說。
研究團隊在腦組織切片上測試了這種方法。他們運用該方法將齧齒動物大腦中負責記憶存儲的海馬體冷卻至零下130攝氏度。 “我們利用電子顯微鏡圖像證明，冷凍過程並未改變組織的納米結構，”German說道。 “解凍後，海馬體中自發地再次形成了電信號，並正常地在神經網絡中傳播。”
神經細胞的功能遠不止於恢複信號傳導。埃爾蘭根-紐倫堡大學（FAU）生理與病理生理學研究所（所長：克裏斯蒂安·阿爾茨海默教授）的腦研究員方錚博士發現，神經細胞突觸處也能觸發長時程增強（LTP）。 LTP是一種關鍵的細胞過程，在這個過程中，經常使用的突觸會變得更強，從而更有效地傳遞信息。 “這種機製對於學習過程和新記憶內容的存儲至關重要，”方錚博士說道。
不治之症的治療能否安排在未來進行？
該研究開發的方法似乎能夠使腦組織在長期內保持功能狀態，並在之後進行檢測，以驗證其是否仍然有效。例如，在一些癲癇患者的手術中，外科醫生會切除神經細胞。這類樣本可以保存多年，用於藥物測試。病變組織的冷凍保存也有助於神經退行性疾病的研究。
亞曆山大·格爾曼也希望，有朝一日能夠將整個生物體置於某種形式的人工休眠狀態，並在長時間後將其喚醒。 “例如，這可以成為太空旅行的一種選擇，或者用於治療目前尚無有效療法的疾病，”他說道，“因為在未來，或許會出現能夠幫助患者的治療方法。”
