中国科学院研究员王健君：人体冻存未来可期_新浪财经

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　　新浪财经讯主题为“和而不同，思想无界”的 CC讲坛第37期（人民网慕课“CC学院”第3期）现场演讲于2020年7月11日在北京以网络直播形式举行。来自中国科学院化学研究所研究员王健君先生出席并以《人体冻存未来可期》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　我是来自中科院化学所的王健君，今天向各位介绍一下关于冷冻保存的一个题目《人体冻存未来可期》。

　　大家可能知道冷冻保存，因为每家每户都有冰箱，冰箱就有冷冻保存的功能，但是大家可能也会很好奇，为什么这几年冷冻保存这么受关注，甚至有争议？比如说今年两会就代表关于卵母细胞的冻存，提出了完全不同的议案，有些人支持卵母细胞的冻存，另外一些代表则完全反对卵母细胞的冻存。2016年英国法院判决一位患有绝症的14岁女孩的母亲胜诉，允许这位母亲在其女儿死后将其冻存。这个判决当时引起了全世界的轰动，因为所有科学界、法律界，还有伦理等方面对人体冻存都存在着争议。

　　我们可以看一下冷冻保存定义就可以明白为什么冻存这么受关注，甚至有争议。冻存就是将冷冻保存的对象：细胞、组织、器官等置于超低温的环境当中，一般是指在零下196℃的液氮环境当中，使其新陈代谢大大降低，待恢复正常的生理功能以后，这些冻存对象：细胞、组织、器官能恢复它正常的生理功能。

　　大家明白为什么如果将冻存对象换成人体的话，那就是意味着几十年以后或者几千年以后，人体如果能复苏的话就能实现永生了。这是我们历代的帝王或者古代埃及法老一直追求的梦想，所以大家可能能明白为什么冻存这几年这么受关注甚至有争议。

　　世界上真正的第一例冻存的人体叫James bedford，他在其死后接受了冷冻保存，迄今已经有五十三年了。目前世界上总共有受冻的人体约有300例，其中包括2个中国人。

　　现在我可以很肯定的告诉大家，所有这些冻存的人由于技术的原因，他们是不可能复苏的，所以也有科学家将人体的冷冻保存，认为它是伪科学。但是美国的一个期刊《生活科学》，这个期刊是专门报道重大的科学突破、预测和未来研究方向的一个杂志。它将人体冻存技术评为“十大超越人体极限的未来科学技术”之一。

　　研究发现如果将器官置于环境温度降低的时候，它能大大增加它的保存时间。比如说目前的器官保存温度是在4℃，它保存的时间是几个小时，长的可以达到二十多个小时。

　　理论研究发现，如果将器官置于零下140℃的时候，它可以长期的保存器官。事实上目前我们有些细胞将其置于零下196℃的液氮环境当中，是可以实现长期的冻存。可是很遗憾的是目前还没有冻存器官的技术，所以导致了冷冻保存器官的时间很短，几个小时，长的20多个小时，导致了大量的器官被废弃。

　　研究数据显示，大约70%左右或者超过70%的心肺（器官），由于短时间内不能找到受体而被废弃，这是非常遗憾的。

　　即使在器官移植非常发达的美国，在七十个器官衰竭的需要移植的人中，只有一个才能得到冻存的器官。所以在1970年实施人类肝脏移植手术、被称为“器官移植之父”的Thomas Starzl就预言：“只有当保存器官的技术得到突破，使器官可以保存数周甚至数月的时候，器官移植才有可能大大地推广。”但很遗憾，他这个说法已经五十年过去了，现在的器官保存技术并没有很大的进步。

　　其实冷冻保存，除了保存器官，还有其他很大范围的领域，比如说能挽救危重患者生命的细胞疗法，它的大范围的推广必须依赖干细胞的安全的冷冻保存；另外辅助生殖领域的生殖细胞的冻存，它的安全性和可靠性，也是非常关键的，因为这涉及到我们的下一代。

　　大家会问为什么五十年来冻存技术没有得到突破的进展呢？或者它的关键的科学问题是什么呢？其实冷冻保存有三要素：第一是冻存对象（细胞、组织、器官），大家知道器官中有超过70%的是水分，将这些水分置于零下的时候它必然会结冰，所以这就涉及到冻存的第二要素，这些冰如果不可控制的话，它必然会伤害细胞、器官。这是一组光学显微镜图片，可以看到卵母细胞在冰冻前后受到了冰晶的损害，这就涉及到第三个要素，要添加冷冻保护剂，使器官、细胞内避免大冰晶的产生，使器官受到保护，免受冰晶的伤害。

　　目前大量使用的冻存保护剂，是一种与盐相似，跟水能发生强作用的一种分子，它的加入可以使器官内部在低温下不结冰，但是要是器官内将近70%的水分，在零下140℃下不结冰，必须添加大量的这种有毒的盐。有美国的科学家理论分析发现，当盐的重量比达到50-60%的时候，器官内可以实现不结冰。但是我刚才说了这么高浓度的盐必然对细胞有损害，研究显示，目前普遍使用的一种冻存剂，当它的浓度超过2%的时候，它会损害细胞、器官，严重的时候会改变它的一些基因。由于这个原因，所以世界上很多的科学家都努力尝试着降低有毒的盐分子的使用，一个方法就是快速的降低温度，然后生高温度，在水还没反应过来变成冰之前，达到预期温度。但这个方法对细胞是适用的，因为细胞体积小，结构简单，但是对器官是不适用的，因为器官体积大、复杂。这样快速降温、升温的时候，必然导致有一个温度梯度的存在，就意味着在细胞里面有些地方温度高，有些地方温度低（当然都是零下的）。当相对比较温度高的地方，必然会形成大冰晶，损害器官。这也是目前能冻存细胞，但是不能冻存器官的一个原因。

　　大家可能会问了，能不能有其他的冻存方法，避免这种有毒的 “盐”的使用？自然界确实有一些生物，它可以在酷寒下生存，比如说生活于沙漠地区的小胸鳖甲、生活于极地的雪虱、还有生活于我国东北地区的冬尺蠖，还有阿拉斯加林蛙等等。我2013年12月的时候去新疆采集这种小胸鳖，当时气温是零下30℃左右。当我们把雪移开，这个虫子就跟土壤冻成一块儿，但是很有意思的事情，我把这个虫子放在我手上，几分钟以后虫子能爬起来，这确实是非常神奇。当然大家可能也会问，这些虫子体内不可能含有大量有毒的盐，如果有的话它可能被毒死了，没被冻死的话，对吧？

　　所以对自然界控冰生物体系的研究，必然为我们冷冻保存提供新的思路。

　　确实也有很多科学家研究为什么这些虫子能在低温下生存，他们发现虫子体内主要存在的两类蛋白，能控制冰晶的形成，一类叫抗冻蛋白，它能控制冰晶的生长；另一类叫冰晶核蛋白，它能控制冰晶成核。冰晶的形成可以分成两步，一步是成核，一步是生长。

　　其实成核最初是一百多年前美国的科学家吉布斯提出来的，他通过简单的宏观能量分析，他提出：冰晶的形成必然会经过一个形成临界冰核的阶段。这是什么意思？就是如果临界冰核没有形成的话，冰晶不可能生成。经典成核理论，提出已经一百多年了，一直有争议，有些人支持经典成核理论，有些人是反对经典成核理论。

　　有争议是什么原因呢？一个关键就是目前实验上没有探测到临界冰核存在，有三个难点：一个就是临界冰核尺寸小，是纳米级别，相当于我们头发丝的几万分之一；另外一个临界冰核存在的时间窗口很短，瞬间的，是纳秒级别，非常快；

　　另外一个它是随机发生的，随机发生意味着什么？它不可预测，没有规律。由于以上三个难点，所以目前世界上最先进的仪器没法捕捉到临界冰核，导致了经典成核理论是否适用于冰晶的形成一直存在争议。

　　我们根据自然界当中存在的两类蛋白，一类就是冰晶核蛋白，是目前世界上最好的冰晶成核剂；另一类是抗冻蛋白，它没有明显的促进冰核形成的效果。更有意思的事情，这两类蛋白唯一的区别就是尺寸不一样，一个抗冻蛋白纳米级别，冰晶核蛋白是几十纳米，两者差一个数量级。

　　为什么尺寸对冰核的形成如此重要？换句话说，我是不是可以制备一系列的不同尺寸的这类蛋白，让它去探索临界冰核，甚至是不是可以把临界冰核捕捉住。

　　事实上我们也通过生物工程的方法制备了一系列的蛋白，但是遗憾的是蛋白大到十几纳米的时候，机械性能不好，会产生弯曲，所以这种蛋白的材料不可能用来单变量的研究尺寸的影响，所以我们继续找，找到另一种材料，叫氧化石墨烯。氧化石墨烯就是很薄的一层片层，并且它的机械性能非常好。我们经过理论计算，还有一些实验研究，当它尺寸小于几十纳米的时候，一般都是平板型，就像一个小钢镚一样不会弯曲，同时我们可以制备一系列尺寸的氧化石墨烯。这是氧化石墨烯的电子显微镜图片，可以从3纳米、8纳米、11纳米、21纳米、50纳米等等，我们就可以用这些纳米颗粒去模拟蛋白，去研究尺寸对冰晶成核的影响。

　　实验发现非常有意思，氧化石墨烯纳米颗粒的尺寸与冰晶成核过冷度，它的层级是一个固定值，并且固定值具有普适性，它对氧化石墨烯的状态是分散在水里面的、还是固定在表面的，不同颗粒都适用。

　　这么一个普世的物理现象，必然后面有一个理论机制在里面。

　　我们通过理论分析发现，其实氧化石墨烯上临界冰核的形成过程与我们往杯子里面倒水这个过程相类似。当我们往杯子里面倒水的时候，当水平面与杯沿齐平的时候，水不会溢出来，我们继续倒水，水会鼓出来，这时候表面张力会把水包住，只有当我们继续倒水，鼓到一定临界程度的时候，水会忽然溢出来。其实像临界冰核也是这种情况，它会在氧化石墨烯上形成，迅速长到纳米颗粒的边缘，这时候由于在表面张力作用下，它不会形成冰晶，只有它继续鼓，鼓到一定程度，会忽然瞬间的形成冰晶。

　　进一步理论分析发现，当氧化石墨烯的颗粒与临界冰核的尺寸相当的时候，冰晶才有可能形成。那就意味着我们可以用纳米颗粒做一把尺子去量临界冰核，从而我们就证实了一百多年前吉布斯预测的临界冰核的存在。当然在实验上我们可以通过改变不同的纳米颗粒尺寸，调控水的结冰温度。

　　接下来我们具体讲讲能控制冰晶生长的抗冻蛋白的控冰机制。2013年我去新疆采集样品，可以看到虫子就在雪和土壤之间，这个虫子能在酷寒下生存的一个重要原因之一就是体内存在抗冻蛋白。抗冻蛋白有两个面，是纳米级别的。最初是一个美国科学家发现了这种抗冻蛋白，所以很多科学家研究了抗冻蛋白的抗冻机制。但是五十多年来，关于抗冻蛋白是喜欢冰或者不喜欢冰，一直存在争议。

　　我是2010年开始做这个研究的，我发现所有这些研究，没有明确（抗冻蛋白）到底哪一个面是喜欢冰的，或者哪个面不喜欢冰的。基于这个考虑，我就想能不能把纳米尺度的抗冻蛋白定向固定住，然后选择性研究抗冻蛋白每一个面的亲冰或者亲水性的。这个想法当然算不错了，对吧？示意图画的很简单，但实验操作上是非常困难的。我的两个博士生去做这个事情，最后有个叫刘凯的硕博生克服了两个困难，一个要把纳米尺度定向固定是非常难，另外一个定向固定还不够，还要维持蛋白的活性，所以他做到了，花了六年的时间。发现蛋白有两个面，每个面它的亲冰、亲水不一样，一面亲冰，一面亲水。

　　为什么之前有这个争议？相当于我们以前有故事一样，就是盲人摸象，摸到了象的尾巴就说象是绳子，如果摸到耳朵的话，就是说象是一个蒲扇。我们通过定向固定选择性研究抗冻蛋白的性能，就是解决了争议。

　　解决争议以后，对我们理解抗冻蛋白的控冰机制有什么帮助呢？大家看一下示意图，这个蛋白它一面亲冰，可以跟冰很好的结合，一面亲水，可以跟水很好的结合。这样就在冰水界面形成很薄的，蛋白层面或者分子层面一堵墙，阻碍了水变成冰，这就是抗冻蛋白的控冰机制。

　　通过我们对自然界控冰体系的研究，我们可以看出，自然界不是用简单的加大量“盐”去保护自己的，而是通过控制冰的成核、控制冰的生长。

　　我们算是有所发现，有所发现了以后，我们也做了做到了有所创造，这是我们做材料学的一个特色。

　　我们制备了一些能控制冰晶形成的冷冻保护材料，比如说我们目前辅助生殖技术里面要用大量的冻存液冻存生殖细胞，精子、卵子、还有受精卵等等。目前这些冻存液都来源于外国进口，更严重的是这些冻存液当中用的是传统的方法，含有一些二甲基亚砜，刚才我说了它是有毒的，用我们的分子冻存卵母细胞以后，复苏率优于目前市场上二甲基亚砜含量15%的细胞的复苏率，远优于进口的二甲基亚砜为零的复苏率。

　　目前我们在东莞松山湖材料实验室的支持下，严格按照国家的标准正在生产冻存试剂，当然我们也研制了一系列能用于干细胞冻存的冻存液，比如说我们用于脐带间充质干细胞冻存的材料，因为我们这个材料冻成干细胞以后，它的复苏率达到了92%，远优于市场上有毒的二甲基亚砜含量为10%的冻存液。

　　目前我们与北医三院的眼科合作，我们希望通过我们创制的一些新的控冰材料，通过从冻存简单的组织、器官入手，比如说眼角膜的冻存，我们希望通过我们材料的创新，使冻存技术得到突破性的进步，让许多医疗技术能充分发挥挽救生命的能力。

　　大家知道前段时间有人报道，我们一般的老百姓可以到空间站去待几天，当然这个是距离比较短的。我们知道宇宙很广袤，可能有些旅行会花几十年算少的时间，我们从地球到那个地方，如果没有采取措施的话，可能生命结束了。我们希望与世界上不同领域的科学家合作，希望冷冻保存能够助力我们以后的星际旅行。

　　这是我的一个德国的合作者，他2018年圣诞节去南极捕鱼提取鱼内的抗冻蛋白。有时候科研也是挺有意思，当然有时候也挺痛苦，比如说我学生花六年时间把抗冻蛋白固定，也是挺痛苦的。

　　谢谢各位。

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