猪的大脑结构(首次猪死亡4小时后，心脏再次跳动，全身脏器重现活力)

Posted 2023-06-02

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猪的大脑结构(首次猪死亡4小时后，心脏再次跳动，全身脏器重现活力)

本文转自：环球科学

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图片来源：Pixabay

2019年，美国耶鲁大学的神经科学家Nenad Sestan领导的研究团队发现给死去4小时的猪脑安装灌注系统，能缓解脑组织的损伤，一些神经元能代谢、工作，甚至能产生典型的电脉冲。这一实验曾彻底打破了人们对死亡过程的认知。而今，3年后，他们首次发现通过给死去的猪全身安置灌注系统，也能恢复将多个器官组织、细胞的功能，接近猪刚死后不久的状态，而猪的心脏甚至会开始重新跳动。

撰文 | clefable

审校 | 二七

一旦心脏停止跳动，就无法再向全身泵送血液，此时，人体内最小的活性单位——细胞由于缺少氧气、营养物质，会开始大范围死亡，组织、器官会不可逆地丧失功能。

一些研究发现，在血液循环停止后，细胞会出现酸中毒和水肿，导致细胞器和细胞膜受损，进而导致细胞死亡。在几分钟后，激素和细胞因子会在全身范围内释放，自主神经系统、免疫系统和凝血系统会因此被全面激活，但这个过程会导致器官再次受损，人体出现代谢性酸中毒和高钾血症。而很快，随着身体的每一个细胞死亡，身体也就迎来了死亡。

然而，正在遭受这一切的人几乎无法察觉，因为在缺血的几秒钟内，大脑就会耗尽氧气、丧失意识。几分钟内，大脑的一些脑区就会出现大面积的永久性损伤，此时根据大部分地区的定义，便可判定人已经死亡。

大脑并未完全死去

但是，这一切真的来得这么迅速吗？毫无回旋的余地吗？美国耶鲁大学的科学家Nenad Sestan领导的研究团队，对此提出了质疑。2019年，他们在一篇发表于《自然》的论文中，曾用猪脑进行了一项突破性的实验：从死亡4小时的猪体内取得大脑，并将其颈动脉、静脉连接到一个灌注装置（BrainEx）上。这个装置可以模拟心脏跳动，为猪脑提供人造血液。这些人造血液能将氧气和药物输送给细胞，防止脑细胞继续损伤。

神经科学家Nenad Sestan （图片来源：耶鲁大学官网）

这项突破性的实验，产生了让人惊奇的结果。他们发现猪脑内的动脉、静脉和毛细血管网均能正常工作。在连接BrainEx数小时后，一些脑组织的水肿减少，能维持良好的结构，其中的神经元、轴突和神经突触同样正常，而对神经元起支持作用的胶质细胞，也具有一定的活性。而且这颗大脑依旧还能消耗氧气和葡萄糖。这些现象都提示我们，大脑并没有死去，其中一部分细胞存活着，且具有代谢活性。

甚至，当研究人员用电流去刺激一些神经元时，它们还能产生一些典型的电脉冲。由此可见，在BrainEx的帮助下，那个看似死亡的大脑开始重新启动，产生了和活体一样的规律电活动。Sestan说：“大脑是最容易因缺血受影响的器官。如果我们能在死去的大脑中，恢复一些特定的细胞的功能，那或许也可以在其他器官中做到相同的事情。”

恢复全身的血流

8月3日，就在Sestan领导的研究团队发表他们在大脑中的发现3年之后，他们又在《自然》发表了一篇重磅论文。这次他们发现，在雌猪（年龄10~12周，体重30~35千克）死亡1小时后，如果通过一种特殊的系统对其进行灌注，不仅能够维持脑细胞的活性，还能让猪体内其他器官中的细胞避免死亡，重新恢复功能。

这个特殊的系统是他们基于BrainEx而研发的全身灌注系统OrganEx。OrganEx组成较为复杂，主要分为2个部分：灌注系统和合成的灌注液。灌注系统包括一个与离心泵相连的脉冲产生器、一个自动的血液透析器和药物输送系统。灌注的液体能改善因长时间缺血出现的电解质和代谢失衡。

全身灌注系统OrganEx中含有离心泵、脉冲产生器、血液透析器、药物传输系统，以及多个传感器。其中的灌注液主要含有血清蛋白，以及一些液体凝固和保护细胞的药物等。（图片来源于研究论文）

灌注液的主体成分是去除血细胞的血清蛋白液体，其中添加了多种保护细胞的药物成分和肝素（让液体无法凝固）。此外，他们还在这套系统中安装了很多个感受器，能随时监测循环液体的性质，以及其中的代谢物质。

有了这个系统之后，他们就能测试能否缓解在猪死亡时，全身细胞的死亡。研究者首先将猪麻醉，再诱导猪产生心室颤动——这会让这只猪在睡梦中死去。猪死去后，全身血液循环停止。几分钟后，猪就会脑死亡。

实验开始在猪死亡1小时后，虽然此前，他们将猪的躯体保存在温暖环境（36℃-37℃）下，但此时，它的血液已经开始凝固，出现了微血管功能障碍、全身性炎症以及凝血带来的细胞严重损伤。他们将OrganEx连接在猪的股动脉和股静脉上，这套系统会先抽取猪的血液，并与灌注液按1：1混合后，对猪进行长达6个小时的灌注。

OrganEx的功能有点像临床上能替代心肺功能的膜氧合系统（ECMO）。在实验中，他们使用ECMO作为平行对照组，并另外设置3个对照组，分别是猪死亡后缺血不久（A组），缺血1小时（B组）和缺血7小时（C组）。ECMO主要通过对猪自体的血液进行处理后灌注，在实验中，它能让部分器官充盈起来，但血管中的压力还是过低，无法维持正常的血液循环。

相比于ECMO（左），OrganEx（右）的效果更好，它能让死去1小时的猪体内的血管以及微血管保持充盈状态，能阻止组织继续损伤，帮助其恢复功能。（图片来源于研究论文）

而OrganEx的表现则更好，它成功在死去的猪体内建立了正常的血液循环，即使在死亡后几小时，猪的器官和血管依然都充盈着血液，脑部和肾脏中也出现了特征性的血流。这些都显示，在猪体内血液的流动、血压和氧水平恢复了正常。长期缺血带来的代谢性酸中毒和高钾血症已经消除了，且在尸体上出现的躯体僵直和尸斑，也消失了。

很多细胞还活着

既然血液循环和代谢特征已经恢复，那猪体内的细胞还好吗？研究人员首先关注了最易受缺血影响的海马CA1区和前额叶皮层的受损情况。一般来说，随着缺血时间延长，大脑中的细胞——神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞会不断消失。在ECMO组和死后放置7小时的猪（C组），就是出现了这样的情况，且组织的完整性、蛋白质合成水平都在迅速丧失。

然而，在OrganEx灌注6小时后，猪这2个脑区的损伤和细胞数量（包括神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞），类似于猪死亡后缺血不久（A组）或缺血1小时后（B组）的状态。在OrganEx的帮助下，大脑中的细胞不再继续受损，且恢复了摄取氧气、消耗葡萄糖的能力。这些也再次证实了他们2019年发表的脑组织研究。

但改善还远不止如此，大脑中的神经元还恢复了部分功能和代谢活性。虽然没有出现整体的神经网络活动，但研究人员确实发现在协调多个肌肉和关节的药物的作用下，猪的头部、颈部和躯干出现了复杂的、没有目的和非定向的运动。只是，他们无法确认，这类活动是猪大脑中皮层的作用，还是猪脊髓和周围神经元的作用。不过，这种运动过程能出现，也说明猪的脊髓神经以及末端神经元还具有功能。

研究人员在猪头皮上的P3、T3和F3安装了电极，其中上中和上右分别为猪在麻醉和心室颤动发生后的脑电图谱。只接受灌注2小时后（从左到右第2张图），OrganEx组开始出现脑电活动，而明显的脑电活动出现在灌注3小时后（从左到右第4张图），此时也伴随着其头、颈和躯体的无定向性运动。而ECMO并没有使大脑出现脑电活动。（图片来源于研究论文）

器官还有功能

随后，研究人员通过无差别采样，全面分析了心脏、肺、肝脏、肾脏和胰腺中组织和细胞的受损情况，包括组织的出血、水肿情况和细胞的核固化、形态改变情况等。相比于，ECMO组和C组的情况，OrganEx对这些器官的组织和细胞起到了很好的保护作用，细胞的情况与B组（死亡后缺血1小时）的情况相似，但这些器官的损伤情况——组织出血、水肿的情况明显变少。损伤评分显示，器官的情况更接近于A组（猪死亡后缺血不久）的状态。David Andrijevic是耶鲁大学医学院神经科学领域的副研究员，也这篇论文的主要合著者之一。他说：“在显微镜下，很难区分一个健康的器官和一个死后用OrganEx技术处理过的器官。”

除此之外，他们还发现在OrganEx组中，一些高代谢率的器官如心脏和肾脏摄取葡萄糖的能力，也更接近A组（猪死亡后缺血不久）的状态。一些生化因子检测显示，心脏、肾脏细胞的功能都有一定程度的恢复，而在接受灌注3小时后，此时猪已死亡4个小时，猪心脏中的QRS波群（心电图上的波段）开始出现，说明心肌细胞仍然具有特定的功能。

在接受OrganEx灌注3小时后（此时猪已死去4个小时），OrganEx组中有4头猪的心脏中出现了QRS波群（上图）。其心肌细胞还有一定的功能，恢复了收缩能力（下图从左到右第3张），类似于猪死亡后缺血不久的状态（下图从左到右第1张）。（图片来源于研究论文）

由于OrganEx的灌注液中含有一些保护细胞的药物，它们能抑制心脏、肝脏、肾脏和胰腺中的细胞进入凋亡途径，能使得细胞的数量恢复到接近A组（猪死亡后缺血不久）的情况。此外，OrganEx还能抑制其他的细胞死亡途径，包括炎症诱发的细胞死亡（焦亡）、细胞坏死和铁死亡，使这些细胞的状态接近猪死亡后缺血不久的状态。

在接受OrganEx系统灌注6小时后，猪的肾脏组织获得了改善，其状态类似于猪刚死亡缺血不久的状态（图片来源：研究论文）

研究人员通过对器官中的样本进行核RNA测序，揭示了器官在转录水平上的变化——也就是基因的表达情况。研究显示，与其他组相比，在OrganEx组中，一些基因存在明显的富集，它们的表达能促进细胞骨架的组装、DNA修复、ATP代谢，抑制一些主要的细胞死亡途径，包括凋亡、焦亡等。

此外，猪体内参与细胞炎症反应、损伤和死亡过程的基因，也都被抑制了，这能避免细胞结构损伤、细胞死亡和DNA破碎。在心脏、肝脏和肾中，器官特有的一些功能基因也在迅速表达，这也意味着特定的器官仍然保留着特定的功能。

目前的意义

由于监管上的要求，这项实验只能通过OrganEx对死去的猪灌注6小时。为了进一步验证OrganEx的效果，研究人员将猪脑中海马体组织的切片，继续培养了14天。在对照中，从C组的猪体内获取的样本已严重损伤，无法继续培养，而接受ECMO支持的组织，在14天内变得极其脆弱。但在OrganEx系统的帮助下，海马体组织切片不仅存活了14天，组织的完整性和蛋白质的合成水平依旧与A组（猪死亡后缺血不久）相当。

用OrganEx系统培养海马体组织切片14天后，其状态类似于死亡后缺血不久的海马组织（图片来源：研究论文）

可以说，在猪死去1个小时之后，OrganEx系统对猪体的全身灌注已经成功让时间逆转，将猪体内多个器官、组织和细胞的状态，一直往回拨，拨到了猪刚死亡而缺血不久的状态。

荷兰格罗宁根大学医学中心的外科医生Robert J. Porte（未参与这项研究）认为，OrganEx系统将能很好地帮助那些因患有心脏病和中风，而徘徊在死亡边缘的病人。此外，这一系统或许能在器官移植中，发挥很大的作用，特别是当捐献者因为心脏停止而循环死亡时，OrganEx或能更好地促进器官保存，进而拯救更多的人。

“OrganEx无疑是一项令人兴奋的新技术，其将会有许多潜在的应用，”耶鲁大学跨学科生物伦理中心主任 Stephen Latham说。“然而，我们需要对所有相关的未来研究，保持谨慎的监督，尤其是任何涉及大脑灌注的研究。”

参考链接：

https://www.eurekalert.org/news-releases/960519?

参考文章：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1099-1（2019年的研究论文）

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05016-1（2022年的研究论文）