Adv Sci丨武汉大学刘金平等团队研究发现了一种有机凝胶可有效消除初级冰成核位点

2025-07-31

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iNature

过冷保存技术在延长器官保存期限方面前景广阔。然而，过冷系统易受随机冰核的影响，这可能对器官造成致命损伤。

2025年7月1日，武汉大学中南医院刘金平，武汉大学动力与机械学院刘抗、黄志共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Anti-Icing Organogel Enables Quasi-Homogeneous Supercooling Preservation of Mouse Hearts”的研究论文。该研究提出了一种由纳米级聚二甲基硅氧烷和二甲基硅油组成的有机凝胶界面，该界面为冰核的形成提供了显著的能量屏障，与均相冰核相当。

该有机凝胶有效地消除了主要的冰核形成位点，从而实现了不依赖冷冻保护剂或机械灌注的准均相过冷保存系统。通过一系列统计实验，该方法能够维持稳定的过冷度，并将小鼠心脏在−4°C下保存长达72小时。多尺度的综合评估表明，−4°C下36小时的过冷保存可通过调节线粒体结构和降低代谢率显著减轻心脏损伤。利用心脏移植模型，对移植后长达3个月的预后评估，确认了准均质系统内的过冷保存，与临床应用的低温保存方法相比，其保存时间可延长一倍。

器官移植被认为是治疗终末期器官衰竭的最佳疗法。然而，器官移植实践的进步正面临着全球器官捐献者短缺的严峻危机。导致这一危机的一个根本因素是缺乏有效的长期器官保存技术。目前，临床使用的保存方法，例如静态控制低温和机械灌注系统，只能提供几个小时的存活时间。将保存时间延长至24小时以上将有助于改善供体与受体的匹配，优化移植耐受方案，并确保为受体做好充分的准备。这些进步将提高全球器官共享的效率，并显著缓解器官捐献者短缺危机。

过冷保存技术有可能显著延长器官的保存期限，因为温度每降低10°C，代谢率就会减半，从而减缓器官的恶化速度。然而，过冷水本质上是亚稳态，容易发生自发冰核，这可能会对器官造成灾难性的损害。传统上，实现稳定的零下保存在很大程度上依赖于使用冷冻保护剂 (CPA) 来降低凝固点。Berendsen 等人将冷冻保护剂与机器灌注相结合，将大鼠肝脏在 −6 °C 下保存 72 小时。随后，他们将该方法应用于人体肝脏，并成功地将器官的体外寿命延长至 -4 °C 下的 27 小时。对于心脏保存，临床医生正在实施供体心脏的体外灌注系统（器官护理系统），以延长体外保存时间。然而，心脏移植的过冷保存方法在临床实践中仍完全未被探索。Que 等人使用 PEG 和葡萄糖作为冷冻保护剂，将小鼠心脏在 −8 °C 下保存 144 小时，代表了心脏过冷保存领域的最新进展。尽管取得了这些进展，但使用冷冻保护剂并不是理想的选择，因为它们具有细胞毒性，并且可能对人体器官产生不利影响。例如，二甲基亚砜的急性毒性可能在个别患者中引起严重的不良反应。此外，这些保存系统通常需要机械灌注，这增加了复杂性、成本和操作难度。这些局限性对临床转化构成了重大障碍，尤其对于人体器官而言。因此，理想的保存策略是在尽可能少的外源性化合物的介质中进行静态保存。

在本研究中，我们提出了一种有机凝胶界面，它具有较大的冰成核能垒，可以消除过冷系统中的主要冰成核位点。该有机凝胶能够实现准均质过冷保存，而无需依赖冷冻保护剂或机械灌注。一系列统计实验表明，该方法能够使保存系统稳定地过冷，将器官在−4°C下维持长达72小时。我们还进行了一项多尺度的综合评估，以探究保存温度对器官损伤和储存期间代谢变化的影响。利用心脏移植模型并对移植后三个月的预后进行评估，我们证实了与临床应用的低温保存方法相比，准均质系统内的过冷保存可以显著延长保存时间。

图1 准均质保存剂方案及表征（图源自Advanced Science ）

参考消息：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202506968

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