冷凍器官移植 is coming!?

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需要知道的研究背景:
器官移植一直是醫學領域的熱門話題，但器官保存始終是一個難題。過去的研究嘗試過多種冷凍保存的方法，但都因為形成冰晶而失敗。為了解決這一問題，研究團隊開發了一種名為“維生化（Vitrification）”的方法，能夠將器官快速冷卻到一個穩定、無冰的狀態。但即使這樣，重新加熱（rewarming）過程中仍可能出現冰晶或熱應力，導致器官損傷

Depicted are the sequential steps of the nanowarming procedure as follows: (1) Kidney recovery from the donor; (2) Loading of cryoprotective agents (CPAs) and iron oxide nanoparticles (IONPs); (3) Rapid cooling to a vitrified state; (4) Storage at −150 °C until needed; (5) Rapid and uniform rewarming in radiofrequency (RF) alternating electromagnetic field; (6) Unloading of CPA and IONPs; and finally, organs are ready for (7A) assessment by normothermic machine perfusion or (7B) transplantation.

VMP
VMP (Vitrification with Machine Perfusion) 是一種結合維生化和機器灌注的先進技術，目的在解決器官保存和移植中的一些主要問題。傳統的冷儲存方法會導致器官損傷和功能下降，而維生化提供了一個避免冰晶形成的解決方案。然而，維生化器官的重新加熱（rewarming）是一個挑戰，因為不均勻的加熱會導致冰晶形成或熱應力。因此這裡，VMP的角色變得十分重要。在維生化過程中，機器灌注可以更有效地將低溫和抗凍劑（Cryoprotective Agents, CPAs）均勻地輸送到器官的各個部分。這有助於確保器官在冷凍過程中得到更好的保護。另一方面，VMP也可以用於加熱階段。通過在器官內灌注含有特殊納米粒子的溶液，並使用磁場或射頻加熱，可以實現快速而均勻的加熱。這有助於避免冰晶形成和熱應力，從而使器官更適合移植。

CPA ＆ 創新的冷凍方式

抗凍劑（Cryoprotective Agents, CPA）是一種化學藥劑，用於保護生物組織或細胞在低溫環境下不受損傷。這些物質能夠降低冰晶在細胞內部或者外部形成的可能性，從而減少因冰晶對細胞結構造成的損傷。常用的抗凍劑有甘油、丙二醇和二甲基亞碸等。在器官冷凍保存（cryopreservation）的過程中，選擇適當的CPA也很重要。一方面，CPA需要有高效的抗凍性能來確保器官在低溫保存過程中不受損；另一方面，CPA還不能對器官或細胞有毒性影響。因此，尋找或設計適合特定器官或細胞類型的CPA是一個重要的研究課題。

• 這篇研究嘗試通過調整CPA的濃度、組合或者添加一些新型納米材料來優化它的性能。在凍保存方法中，CPA會與特殊的納米粒子（氧化鐵顆粒）一同灌注到器官內，再利用交變磁場來加熱注入器官血管系統內的納米粒子。來實現器官的快速均勻加熱，最後通過灌注來去除納米粒子。

• 研究團隊對抗凍劑'雞尾酒'的成分進行探索，發現用乙二醇取代原本抗凍劑中的丙二醇後，造成的腎臟毒性較低以及冷卻時可以快速實現器官中水分子的玻璃化，而不會造成損傷。

這項研究做了什麼:
這篇研究文章介紹了一種名為“納米加熱（Nanowarming）”的技術，使用磁場來加熱器官血管內的納米粒子，實現快速和均勻的加熱。研究團隊成功使用這方法對大鼠的腎臟進行了冷凍保存和恢復，並在移植後顯示出腎功能的恢復性。

實驗結果:
實驗結果很有趣，納米加熱的腎臟在微觀層面上沒有出現冰晶或損壞並成功地對大鼠模型中的腎臟進行了冷凍保存（最長可達100天），功能還跟新鮮腎臟差不多。這些經過納米加熱的腎臟在機器灌注（machine perfusion）過程中立即產生了尿液，並且數據顯示類似的血液動力學，在灌注過程中也消耗了氧氣和葡萄糖。更重要的是，這些腎臟在移植後能夠維持接受者(5隻大鼠)的生命達30天，腎功能逐漸改善並達到正常水平。

Han Z, Rao JS, Gangwar L, et al. Vitrification and nanowarming enable long-term organ cryopreservation and life-sustaining kidney transplantation in a rat model. Nat Commun. 2023;14(1):3407. Published 2023 Jun 9. doi:10.1038/s41467-023-38824-8