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[国际新闻] NASA资助“冷冻休眠”研究 星际旅行或成真

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发表于 2016-5-23 18:24 | 显示全部楼层 |阅读模式

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“地球是人类的摇篮,但是人类不可能永远生活在摇篮里。”这是现代火箭之父齐奥尔科夫斯基说过的豪言壮语。迄今为止,人类已经登上月球,从另一个视角遥望自己的家园。但是,人类的一大步跨得还不够远。交通工具无法支撑、携带的干粮补给不够等都限制着人类离开“摇篮”,实现星际旅行航行,去寻找去地球“亲戚”。

当然,这一切都已经在科幻电影中实现了——在一系列如《阿凡达》《星际穿越》的科幻电影中,宇航员通过“冷冻休眠”技术降低身体的新陈代谢,利用更少的补给实现更长距离的星际旅游。近日,美国宇航局(NASA)正式宣布,将资助亚特兰大航空工程公司(SpaceWorks)研发类似“假死”技术,在漫长的星际旅行中让宇航员进入短期冷冻休眠状态。

在真实太空任务中,人类宇航员所需补给将对任务执行产生直接影响。很明显,让宇航员进入短期冷冻休眠状态,将令太空旅行走得更远效率更高。

1.冷冻休眠提高太空旅行效率

根据报道,在星际航行期间,SpaceWorks设计的冷冻休眠舱将使宇航员进入惰性麻木状态,即短期的冷冻休眠状态。在这个状态下,宇航员的生理活动降低,通常表现在体温降低,新陈代谢速度下降等。这将大大减少宇航员对外界物质的需求,进而大幅减少所携带的补给品。

SpaceWorks首席执行官约翰·布拉德福特 2 c# e4 X% v0 E说,人类宇航员处于“假死”状态始终被视为长期太空飞行的最佳解决方案。根据设计方案,SpaceWorks的睡眠舱非常小,位于飞船的中心节点或船员舱附近,可允许宇航员直接进出。布拉德福特说:“我们认为,4—6名宇航员的补给需求可降至5—7吨,而非当前的20—50吨。宇航员栖息舱所需空间大约为20平方米,而当前大多数设计需要200平方米。”

当宇航员处于冷冻休眠状态时,身上将挂满各种传感器,以便于让其他清醒的宇航员随时监控他们的状态。宇航员将通过全胃肠外营养静脉注射,获得维持人体功能所需的营养,并可随尿液排出。宇航员将在这种药物诱发的低温状态下休眠14天,然后清醒2—3天换班,以满足其他宇航员休眠需求。

2.降温过程或对细胞造成损伤

可以看到,宇航员冷冻休眠能够最大限度地提高飞船的空间、载重利用率。其中的关键就是降低宇航员飞行期间的消耗,也就是最大限度降低人体的新陈代谢速度。

低温能够降低生物的新陈代谢速度是毫无疑问的。比如青蛙、蛇等动物均会采取冬眠的方式来降低自身的新陈代谢速率。但值得注意的是,宇航员的冷冻休眠与此前中国重庆女作家杜虹冷冻遗体的“人体冷冻”技术并不是一类。宇航员的冷冻休眠技术,首先要解决的就是,低温对宇航员生命机体造成的伤害。

技术上的人类冷冻休眠,是指在极短的时间内,将人类冷冻到-196℃,让细胞停止活动,无限延长人类的生命周期。从理论上来讲,冷冻休眠可以做到。但是目前从技术上来看,人类还不能做到冷冻休眠并将其唤醒。主要问题是当人体温度降到-5℃时,细胞内的水分就会冻结并形成冰晶。这些冰晶会穿透细胞膜,导致严重的组织损伤。也就说,通过冷冻休眠睡去的人们将无法再次醒来。

细胞在低温下可以长期保存的机制在于低温下细胞的新陈代谢急速减慢。保存温度越低,新陈代谢越慢,保存时间也就越长。比如,血液中心的血液常常在-5℃下保存,保存时间一般为1个月。当然,如果不考虑低温对于细胞造成的损伤,如果在-196℃下保存,血液的保存时间应该能更长。

但是低温保存过程本身也会杀伤细胞及损害组织。此次NASA所资助的SpaceWorks并没有公布如何应对这些风险,但我们不妨先看一下这些风险以及当前针对如何应对这些风险的研究是怎么样的。这些风险既包括化学损伤,也包括物理损伤。

造成化学损伤的主要元凶是我们赖以生存的氧气。氧气的重要无需赘言,但是它的另一面却是通过氧化分解摧毁生命分子的本质。尤其在细胞主动利用氧的情况下,会生成大量比分子氧更加活泼的自由基。在正常情况下,细胞利用一系列的酶,直接或间接地对抗氧及其自由基所带来的损伤。但随着温度的下降,虽然破坏的速度也随之下降,但因酶的催化才加速的对抗能力,随着酶的活性剧烈下降,也会急剧降低,本来平衡的化学反应最终倒向了破坏的一方。这一点不容忽视。

其次就是物理损伤,主要是指液体在极低温度下结冰后对细胞造成的损伤。据中国科技大学低温生物研究所教授何立群等人的研究,要实现冷冻休眠绕不过的就是要对每一个细胞进行低温处理。实际应用中,细胞的低温保存,第一步就是要对细胞添加低温保护剂(CPA),然后进行安全降温。值得注意的是,不足够低的温度无法达到冷冻休眠的需求,但是-15℃—-60℃的低温过程对于细胞来讲是致命的。

3.降温过程操作难度大

向水中加入溶质会降低水的冰点。一般来说,溶质浓度越高,冰点就越低,因此成功进行低温保存的第一步就是添加恰当的CPA,而且高浓度溶质对细胞有渗透性损伤,因此要适量。自50年以前,英国一个研究小组偶然发现甘油是精子和红细胞的有效低温保护剂以来,虽然不断出现新的CPA,比如乙二醇、甲醇、丙二醇及二甲亚砜,有的也更加有效,但甘油至今仍然是有效的CPA之一。

据何立群等介绍,实验表明,添加CPA后,细胞先脱水,体积开始收缩,随后CPA渗入,体积随之扩张。如果CPA的浓度过高,其体积会过度收缩以至超过细胞的忍受极限而导致损伤。

在降温过程中,当温度降至-5℃左右时,细胞及其周围递质还未冻结,都处于过冷状态,在-5℃—-15℃之间,细胞外溶液开始结冰,如果假定细胞膜阻止了冰晶生长进入细胞,则细胞内没有结冰,仍处于过冷状态。此时细胞内部水的化学势增大,水开始渗出细胞,然后在细胞外结冰,随后细胞的反应则取决于降温速率。何立群表示,如果冷却过快,细胞就没有充足的时间通过渗出水来维持内外溶液的渗透压平衡,使细胞内溶液过冷,最终细胞内开始结冰。

总的来讲,降温过快或过慢,都能杀死细胞。在慢的降温速率下,低温损伤源于“溶液效应”,导致细胞严重脱水。快速降温下,低温损伤源于致命的胞内冰。对于特定细胞,必然存在一个具有最高细胞回收率的最佳降温速率。该降温速率慢得足以防止胞内冰,同时也快得足以使“溶液效应”最小。

据介绍,除去上面的这种方法,目前低温生物学界讨论的还有一种使得细胞质玻璃态的降温方法。采用超快速降温(>106℃/min)或使用高浓度CPA,细胞质将形成玻璃态而不是胞内冰。然而,超快速降温在技术上有一定难度。在慢速降温中有效改善降温损伤的几种CPA也可以用来促进玻璃化,但所需的浓度太高,对细胞、组织来讲毒性太大。

要说明的是,降温速率过高或过低是相对于细胞膜的渗水性而言的,与细胞的类型有关。不同细胞,细胞膜对水的渗透率有很大的差异,这导致了不同细胞对应的最佳降温速率有所不同。细想一下,人体由不计其数的细胞组成,脑细胞、肝脏细胞等之间千差万别,能对这些细胞定靶用药就已经是非常之难了,而且还需要精准控制,稍不注意便可对细胞造成不可逆的损伤。这与当前冷冻卵子、精子或者血液的难度相比,给不同细胞进行精准降温简直难于上青天。

4.能否苏醒才是关键

不过,比给不同细胞进行精准降温更难的是给细胞复温。倘若宇航员不能从休眠中醒来,那冷冻休眠的意义何在?如何安全地给细胞复温,是冷冻休眠技术的“最后一公里”,最为关键之处。

上面提到,在给细胞注入CPA降温的过程中,极易使得细胞受到损伤。同样,在复温过程中,就要把CPA抽离出细胞,这一过程也充满危险。在取出CPA时如过度稀释,细胞会过度吸水以至膨胀超过其允许上限,也会造成细胞损伤。

何立群表示,复温过程对细胞的存活是否构成威胁,其结果首先取决于前面降温过程是否诱发产生了胞内冰或者细胞脱水。如果有胞内冰产生,快速复温能防止冰晶长大,防止破坏细胞。但是即便慢速降温过程中无胞内冰形成,细胞对复温速率的响应也取决于冷冻条件和细胞类型。

而且,苏醒过后的宇航员的机体是否会受到负面影响也是一个大的问题,当人体肌肉长期处在静止状态时,其功能势必会出现某种程度的退化,虽然SpaceWorks研发的类似“假死”技术,只是让宇航员休眠14天,但是相信有过体验的人都知道,躺在床上半个月动也不动的感受是如何的。



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