科学网—脑组织保存的新技术《PNAS》
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2026-6-3 08:04
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脑组织保存的新技术《 PNAS》
低温生物学是一门在极低温度下保存生物材料的科学。目前面临的一大挑战是，如何防止冰晶破坏像大脑这样脆弱的组织。正因如此，科学家们正在研发新的冷冻方法，以保护细胞和神经连接。
科学家们通过防止通常由冰晶造成的微观损伤，在安全冷冻并复活脑组织方面迈出了重要一步。
如果活体组织可以被冷冻数年，甚至数十年，之后又能被复活且功能完好无损，那会怎样？为了实现这一可能，科学家们将目光投向了一个意想不到的灵感来源：西伯利亚蝾螈。这种微小的两栖动物能够在地球上一些最严酷的严寒中存活下来。
据一些报道，西伯利亚蝾螈可以在接近零下 50度的低温下冬眠，并在永久冻土中困守数十年。一旦气温回暖，它就能简单地恢复正常活动。研究人员表示，其中的秘密在于这种动物卓越的自然“防冻”系统。
蝾螈的肝脏会产生甘油，这是一种能够降低体内冰点、并在冷冻和解冻过程中帮助保护细胞和组织的醇类物质。如果没有这种保护，极寒通常会对生物体造成毁灭性的伤害，因为冰晶会在组织内部形成。
“冰晶的形成是极寒通常对生物如此有害的原因，”埃朗根大学附属医院（Uniklinikum Erlangen）分子神经学系的 Alexander German 博士解释道。“这是因为冰晶会对细胞造成机械性损伤，从而破坏组织敏感的纳米结构。”
(图片说明：Fang Zheng 博士和 Alexander German 博士。)
组织液凝固成玻璃态
人类胚胎也可以通过深度冷冻保存多年。为了实现这一点，细胞会经过化学物质的处理，这些物质类似于甘油，可以阻止冰晶的形成。 “当冷却到零下130度以下时，组织也会凝固，”German 说。“然而，细胞内和细胞间的水分会转变为一种类似玻璃的状态。”玻璃像冰一样是固态的，但其分子的排列是随机的，而不是像晶体那样呈现有序的排列。
这个过程被称为 “玻璃化”。然而直到现在，研究人员一直无法将神经组织，甚至是整个大脑区域，冷冻到解冻后仍能正常发挥功能的程度。一个主要的障碍是，在这个过程中使用的防冻物质可能会对脆弱的细胞产生毒性。脑组织尤其脆弱，因为它包含数亿个通过无数被称为“突触”的微小接触点相互连接的神经细胞。神经元正是通过这些连接来进行沟通的。
优化的保存剂和冷冻过程
早期的玻璃化技术会破坏这种复杂的网络并损伤突触。即使细胞本身存活下来，保存下来的结构也无法再正常工作。 “然而，我们已经优化了保存剂的成分和冷却过程，从而使神经组织保持完整，”German 强调道。
(图片说明：玻璃化和结晶的脑组织切片。这些立体显微镜图像展示了在零下160摄氏度下的脑切片。左侧的组织通过玻璃化得到了保存，而右侧的组织则被结晶和裂纹所破坏。)
研究团队在脑切片上测试了这种方法。通过他们的方法，研究人员将参与记忆存储的啮齿动物大脑区域 ——海马体，冷却到了零下130摄氏度。“我们能够通过电子显微镜图像证明，组织的纳米结构并没有因冷冻过程而发生改变，”German 说。“解冻后，电信号在海马体中再次自发形成，并在神经网络中正常传导。”
这些神经细胞不仅仅是恢复了信号传递。 FAU（弗里德里希-亚历山大大学）生理学与病理生理学研究所（所长：Christian Alzheimer 教授）的大脑研究员 Fang Zheng 博士证明，神经细胞的突触上也可以触发“长时程增强作用”。这是一个关键的细胞过程，在此过程中，经常被使用的突触会变得更强，从而使它们能更有效地传递信息。“这种机制对于学习过程和存储新的记忆内容至关重要，”German 说。
未来能否预约治疗不治之症？
这项研究中开发的方法似乎允许脑组织在功能完好的状态下被长期保存，以便日后进行检测，看它是否依然有效。例如，在一些癫痫患者身上，外科医生会在手术中切除神经细胞。像这样的样本可以被储存起来，并在多年后用于测试药物。患病组织的低温保存也可以支持对神经退行性疾病的研究。
Alexander German 还希望，有朝一日能够将整个生物体置于一种人工冬眠状态，并在很长一段时间后将它们复活。“例如，这可能是太空旅行的一种选择，或者是针对患有目前无法治愈疾病的人，”他说。“因为在未来的某个时候，可能会出现一种能够帮助患者的治疗方案。”
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