嘉宁市。
京沪线超高速真空磁悬浮试运行成功后的第二周,陆安的生活恢复了另一种节奏。
元界智控总部顶层的那间办公室里,白板上写着的一些手稿不再是轨道参数和管道气密性数据,变成了诸多生物化学方程式、细胞冷冻损伤机制、以及一串串复杂的分子结构图。
低温冷冻休眠。
这是陆安在“文明跃迁”计划之外,亲自盯的另一条技术线。
而这条技术线,又是与“文明跃迁”计划高度关联的。
甚至可以这么说,低温冷冻休眠能否顺利突破,将在很大程度上决定了未来“文明跃迁”计划当中的那些众多超级工程,尤其是哪些动辄十几年乃至几十年漫长周期的工程项目能否按照计划顺利实施。
办公室的门被敲响,灵曦推门进来,身后跟着三个人。
走在最前面的是元界智控生命科学研究所冷冻生物学部的负责人沈奕,他身边一男一女,分别是材料化学专家周蕙和微流控系统工程师林元良。
生命科学研究所冷冻生物学部已经成立有些年了,进展突破也有,但不多。
主要是陆安把这个项目部搭建起来,并没有过多的投入精力亲自去推进,因为他的时间很宝贵,需要解决其它优先级更高的项目。
随着“文明跃迁”计划正式落地实施,低温冷冻休眠的优先级也排到了前列,成为亟待解决的一个方向。
“董事长,技术小组已经到齐了。”灵曦说道,并侧身让出位置。
只见陆安从椅子上站起来,走到白板前,拿起记号笔。
他没有寒暄,直接在白板上写下了两组词:低温损伤、复苏策略。
“过去二十年,人类在胚胎冷冻、精子卵子保存上已经相当成熟,但成年个体和大型器官的低温保存始终没有突破。问题的核心不在于温度,而在于冰晶。”
陆安转过身,看着三个人。
“冰晶会刺破细胞膜,破坏细胞骨架,导致不可逆的损伤。我们需要一种方法让整个生物体在降温过程中,完全不形成冰晶,同时在升温后恢复全部生理功能。”
沈奕旋即接话道:“玻璃化是我们目前最有希望的方向,将高浓度的低温保护剂灌注到血管系统中,使细胞内外的液体在降温时形成无定形的玻璃态而不是冰晶。”
他补充道:“我们在小鼠肾脏上已经成功了,但问题是保护剂的毒性,要让大型生物体达到玻璃化所需的保护剂浓度,毒性会直接杀死细胞。”
“所以我们需要两条腿走路。”陆安在低温损伤下面画了两条分支线,然后有条不紊道:“第一,开发低毒性的新型低温保护剂;第二,设计一套能够在微观尺度上均匀、快速降温的设备,降低对保护剂浓度的依赖。”
材料化学出身的周蕙对保护剂分子设计很有发言权,旋即说道:“低毒性保护剂的方向,我们一直在做。传统的保护剂是二甲基亚砜、乙二醇、甘油,毒性随着浓度指数上升。”
周蕙顿了顿,接着说道:“我最近筛了一组新的小分子,包括海藻糖的衍生物、一类合成的两性离子化合物,细胞毒性比二甲基亚砜低了两个数量级。”
陆安询问:“效果呢?”
周蕙回答:“玻璃化能力不足,二甲基亚砜在百分之四十浓度时可以玻璃化,我们的新分子需要60%才能达到同样效果。浓度上去了,可毒性也上去了,虽然绝对值更低,但还不够。”
闻言,陆安略作思量当即道:“那就在组合上下功夫,不同保护剂之间有协同效应,混合配方可以实现一加一大于二,不用盯着一个分子。”
林元良推了推眼镜说:“降温速率也是一大关键点,如果我们能把降温速率提高到每秒百万开尔文级别,即使保护剂浓度很低也可以实现玻璃化。问题是,怎么让大型生物体内部达到这种速率呢?”
陆安走回办公桌前,调出了一份文档。
“这正是我要你们来的原因,公司在微流控和纳米技术上有积累。”
“我设想的方案是通过血管系统,向全身灌注含有纳米导热颗粒的保护剂溶液,同时从体表施加定向的、超快速的冷源。”
“纳米颗粒可以均匀分布在组织间隙中,大幅提高导热系数,使得内部的降温速率可以接近表面。”
此言一出,三人不由得眼前一亮。
沈奕旋即问道:“纳米颗粒的回收呢?”
陆安说道:“用磁场,颗粒设计为铁氧体纳米粒子,表面用亲水聚合物修饰,保证生物相容性。复苏时通过外加交变磁场对颗粒加热,从内部均匀升温,避免外部加热导致的热应力。”
随即,陆安看向三人:“这就是我要你们攻克的路线,纳米玻璃化。”
灵曦旋即把那份文档接过来,递给了沈奕。
三人交换阅览了一番,沈奕看向陆安点点头说道:“明白了。”
……
接下来的日子里,这个技术小组都泡在实验室里。
纳米颗粒的合成由周蕙负责,她设计的铁氧体纳米粒子直径20纳米,表面接枝了聚乙二醇链,可以有效避免蛋白吸附和细胞摄取。
测试结果显示,这些颗粒在血管内停留72小时后,没有被免疫系统大量清除,大部分仍然循环在血液中。
林元良在微观传热模型上花了大半年,他用计算流体力学模拟了纳米颗粒悬浮液在降温过程中的温度分布,找到了最佳的颗粒浓度和降温速率组合。
最优条件是颗粒体积分数0.5%,降温速率每秒50万开尔文。
在这个条件下,一厘米厚的组织可以在两毫秒内从体温降到零下120度,完全跳过冰晶形成区间。
沈奕则是负责动物实验,最开始是小型动物小鼠。
他们将小鼠麻醉后,从颈动脉插管,用微流控泵将含有纳米颗粒的低温保护剂溶液灌注到全身。
灌注完成后,将小鼠浸入液氮中,大约0.3秒后取出,小鼠身体已经冻得像一块石头,表面结着一层白霜。
第一次复苏,用外加交变磁场加热。
线圈在体外产生的交变磁场,纳米颗粒在磁场中因磁滞损耗而发热。
升温速率控制得比降温慢得多,以免产生太大的热应力。
五分钟左右,小鼠的身体从僵硬恢复到了柔软,体表温度回到37度。
但小鼠没有活过来,心脏没有跳动,呼吸没有恢复,瞳孔没有反应。
沈奕解剖后发现了问题,脑组织出现了水肿和微出血,但不是冰晶损伤,是缺血再灌注损伤。
低温本身保护了组织,但灌注过程中,血液被保护剂替代,组织长期处于缺氧状态。
复苏后再灌注时,大量的自由基攻击细胞膜,导致了损伤。
“我们不仅需要低温保护剂,还需要在灌注液中加入抗氧化剂、线粒体保护剂、以及代谢抑制剂。”沈奕在组会上报告:“在低温期间降低细胞的代谢需求,减少氧自由基的产生,复苏时再逐步恢复血供,不能一下子恢复。”
陆安给出了两个字:“再试。”
……
时间来到2042年,改进后的方案开始新一轮动物实验。
灌注液中加入了三种新成分。
褪黑素,强抗氧化剂,清除自由基;环孢素A,抑制线粒体通透性转换孔开放,防止细胞凋亡;以及腺苷,暂时抑制代谢率。
降温方案不变,纳米颗粒、液氮、毫秒级玻璃化。