哺乳動物細胞需要氧氣來維持細胞和組織的活力。缺血后幾分鐘內，出現細胞內酸中毒和水腫，并引發細胞膜和細胞器的繼發性損傷，通常會導致細胞死亡。在全身范圍內，激素和細胞因子會全身釋放，隨后會激活自主神經、免疫和凝血系統，導致終末器官損傷，最終導致全身代謝性酸中毒和高鉀血癥。
幾十年來，科學家們一直在尋找保護細胞和器官免受中風、心臟病發作或呼吸停止后可能發生的氧氣剝奪和重新引入的有害影響的策略。
在2019年Nature的一篇研究中，耶魯大學醫學院Nenad Sestan等人開發了一種名為 BrainEx 的技術，可以在長達 6 小時的缺氧后恢復豬腦細胞中某種程度的代謝活動。該策略涉及一種稱為冷凍保護性灌注液的特殊液體，將其泵入大腦的血管。灌流液主要由含有血紅蛋白的液體組成，還含有大量有助于保護細胞（冷凍保護劑）和防止血栓的分子。
近日，耶魯大學醫學院Nenad Sestan等人向全身性器官的恢復發起挑戰，于此，他們開發了一種名為OrganEx的系統，該系統使氧氣能夠在豬的全身再循環，從而在心臟驟停1小時后保存細胞和器官。成果發表在最新一期Nature雜志。
OrganEx技術概括
OrganEx技術包括灌注系統和合成灌注液。灌注系統電路包括一個定制的脈沖發生器，該發生器連接到一個離心泵，該離心泵再現生理壓力波形。該回路配備了一種專門針對長期缺血后電解質和代謝失衡的溶液，而自動血液透析濾過和藥物輸送系統則補充了灌注液。該灌注液是BrainEx 灌注液的改良版，現已針對全身兼容性進行了優化。最后，實時傳感器能夠監測重要的循環特性和代謝物。
圖|OrganEx 技術和實驗工作流程概述
OrganEx灌注后器官得以恢復
研究人員將 OrganEx與一種更傳統的心肺替代裝置（體外膜氧合系統 (ECMO)）進行了比較，ECMO系統可將攜帶新鮮氧氣的豬自己的血液泵入體內。他們在豬中誘發心臟驟停，并在死后將它們放置1小時。然后他們進行了6個小時的全身再循環和再氧合。研究發現，ECMO 未能導致所有器官的適當灌注，作者發現許多較小的血管已經塌陷。相比之下，OrganEx 系統的使用導致完全再灌注和穩定的耗氧量，并且作者沒有檢測到典型的缺氧電解質紊亂和異常酸性體液。對腦、心、肺、肝、腎和胰腺組織的深入分析顯示，與ECMO相比，OrganEx灌注后細胞破壞更少，細胞修復得到促進的證據更多。例如，研究人員發現更多的證據表明，灌注OrganEx的豬腎臟中存在細胞增殖。
圖|部分器官的功能表征和代謝活動
OrganEx灌注至腦部，而產生意識？
有趣的是，在接受頸動脈注射造影劑進行腦血管透視成像時，OrganEx 灌注的動物在多個關節和肌肉單元的協調激動劑/拮抗劑作用下表現出復雜、無目的、非刻板的頭部、頸部和軀干運動，而ECMO組沒有這種現象。（此處有可能是灌注后部分腦細胞恢復狀態，而存在意識（可能存在倫理爭論））
研究人員繼續深入了解缺氧后細胞損傷和死亡的機制。該小組對動物腎臟、肝臟和心臟中的基因表達進行了單細胞分析。這揭示了 OrganEx 和 ECMO 動物之間在涉及各種功能（包括細胞死亡和炎癥）的基因表達方面存在顯著差異。snRNA-seq 分析支持了細胞和組織水平發現，即在OrganEx干預后減少細胞損傷以及啟動某些分子和細胞修復過程。
圖|通過 snRNA-seq 在不同灌注干預中評估器官和細胞類型特異性轉錄組變化
總結與展望
這項全面且精心設計的研究有可能為心臟病發作或中風的人帶來新的治療策略。可以想象，OrganEx 系統（或其組件）可用于在緊急情況下治療此類人。但值得注意的是，首先需要更多的研究來確認系統組件在特定臨床情況下的安全性。
該技術的潛在應用是多方面的，可以為缺血研究和推進相關臨床學科提供途徑。OrganEx 有可能通過局部腹部/胸部再灌注來延長允許的熱缺血時間的限制，從而增加器官移植的可用性。這種方法需要強制預先夾住主動脈/頸動脈，以防止器官供體中的大腦再循環（防止出現意識仍存現象，不符合倫理規定）。相反，如果該技術未來的任何改進可以針對受傷后大腦功能的恢復，那么大腦循環將保持優先性。因此，在可能使用 OrganEx 技術之前，應明確區分是否包含腦循環。
盡管我們的研究表明重要器官在有意義的時間點內具有重要的細胞保護和修復過程，但關于器官在較長時間內恢復的問題仍然存在。總體而言，仍需要進一步優化和擴展該技術，以充分了解其對缺血組織和恢復的更廣泛影響。盡管此處的體內結果顯示有望彌合缺血基礎研究與移植醫學或臨床復蘇科學之間的差距，但了解腦功能的恢復需要仔細考慮。特別是，需要進行深思熟慮的評估，以闡明為什么僅在 OrganEx 組注射對比劑后會發生頭部和頸部運動。通過研究人員、生物倫理學家和機構委員會的嚴格倫理審查，未來對這些運動的表征可能會更好地了解心臟驟停或中風后的神經運動生物學和缺血性病理生理學。
參考文獻：
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
