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心脏，是人最重要器官之一，是循环系统中的动力。当心脏停止跳动后，由于血液不在流动，营养物质和氧气无法供给，而哺乳动物细胞需要氧气来维持细胞和组织的活力。在缺血后几分钟内，就会出现细胞内酸中毒和水肿，并引发细胞膜和细胞器的继发性损伤，进而导致细胞死亡。
然而越来越多的研究开始质疑循环中断数小时后细胞死亡的必然性。2019年4月17日，耶鲁大学Nenad Sestan团队在《Nature》发表题为“Restoration of brain circulation and cellular functions hours post-mortem”的研究论文，开发了一种体外灌注系统（BrainEx），该系统能够促进缺氧恢复并代谢支持大脑的能量需求。这一突破性的实验结果带给了Sestan团队又一个启发：如果我们能在死去的大脑中，恢复一些特定的细胞的功能，那或许也可以在其他器官中做到相同的事情。
基于此，该团队对BrainEx进行了升级，开发了一种名为OrgnEx的系统，在心脏停止跳动一小时后的死亡的猪身上测试了该系统，可以恢复血液循环， 还能够保留组织完整性，减少了细胞死亡并恢复了多个重要器官的选定分子和细胞过程。相关研究成果以“Cellular recovery after prolonged warm ischaemia of the whole body”为题于2022年8月3日发表在《Nature》上。该文一经发布，便引起了科研人员的广泛关注。
1. OrganEx的设计
在这项创新性的工作中，该团队基于以前研究的BrainEx开发了一种全身灌注系统OrganEx。这个系统主要分为两个部分：灌注系统和合成的灌注液。该系统配备了离心泵、脉冲发生器、血液透析器、气体输注、药物输送系统和传感器，以测量代谢和循环参数。灌注液主要含有血清蛋白，非凝血和保护细胞的药物等，可以用来改善长时间缺血导致的电解质和代谢失衡。
研究团队利用这项系统在心跳已经停止一小时的猪身上进行了测试，同时将其与传统的恢复循环系统（体外膜氧合系统—ECMO）进行了比较。除ECMO组外，还同时设置了三个对照组，分别是猪死亡缺血后不久（A组），缺血1小时（B组）和缺血7小时（C组）。
图1 OrganEx技术和实验工作流程概述
2. OrganEx的血液循环重建效果
当死亡时间超过1小时后，即使将其保存在适宜环境下，血液仍然出现了凝固现象以及缺氧带来的细胞严重损伤。研究人员将OrganEx与猪的股动脉和股静脉相接，先将猪体内血液抽取之后再将起血液与灌注液按1：1的比例混合后进行灌注。
相比ECMO，OrganEx系统表现出了更出色的效果，它可以使死去1小时的猪体内重新建立正常的血液循环并且使血管保持充盈状态，有效阻止组织受损。不仅如此，脑补和肾脏中也出现了特征性的血流，体内的血流、血压和血氧都成功恢复了正常水平。此外，在ECMO组中观察到的死后僵硬和血色在OrganEx 灌注后也消失了。
图2 灌注方案期间的循环和血液/灌注液特性
3. OrganEx对器官的细胞结构变化
使用OrganEx灌注恢复全身循环和某些关键代谢参数后，研究人员通过无差别采样和组织学分析研究了多个器官的细胞结构变化。他们首先关注了最容易受到缺血影响的海马CA1区和前额叶皮层的受损情况。经OrganEx灌注6小时后，由于OrganEx的灌注液中含有一些保护细胞的药物，两个脑区的损伤和细胞数量类似于猪死亡后缺血不久（A组）或缺血1小时后（B组）的状态。
接下来研究了 OrganEx对基本外周器官组织和细胞完整性的影响，包括心脏、肺、肝脏、肾脏和胰腺。这些结果表明，与 ECMO 相比，用OrganEx灌注治疗的器官表现出更少的出血或组织水肿迹象。没有促进损伤和细胞结构损伤。
图3 细胞增殖和组织学分析
4. 器官代谢及其功能分析
使用OrganEx观察到代谢功能、组织细胞结构和细胞死亡结果的改善后，研究人员进一步对器官的功能进行了探究。首先，对于高度代谢的器官的葡萄糖摄取，OrganEx和 0 h WIT组的葡萄糖摄取水平相当；接下来，研究人员开始测试相关器官中细胞和组织水平恢复的指标。使用心电图进行的心脏评估显示在 OrganEx 灌注期间QRS（心电图波段）复合物自发重新出现，表明心室去极化仍具有特定的功能，但ECMO组未观察到。
使用白蛋白和因子V的免疫染色评估肝细胞恢复，它们分别是具有高丰度和短半衰期的非结构性肝合成蛋白质。与OrganEx组相比，两种蛋白质的免疫标记强度在 0 h WIT 组中相当，在 7 h WIT和ECMO组中则显着降低。
接下来，研究人员考察了OrganEx灌注对细胞活力的长期作用。作者使用器官型海马脑切片培养 (BSC) 来监测先前暴露于不同灌注干预的组织的特征。在目测和 DAPI 染色的基础上，ECMO组的BSC比OrganEx样本更脆弱，并且在第14天时大部分分解；但在OrganEx组中，BSC组织完整性保持到第14天，等于0小时WIT组。
图4 选定器官的功能表征和代谢活动
5. 细胞特异性转录组变化
为了研究对不同缺血暴露的转录组反应和 OrganEx干预的影响，研究人员进行了单核RNA测序（snRNA-seq），揭示了器官在转录水平上的变化（基因表达）。明显的，OrganEx组中存在一些基因的明显富集，它们的表达能够促进细胞骨架的组装、DNA 修复、ATP 代谢，同时可以抑制一些主要的细胞死亡途径。
图5 通过 snRNA-seq在各种热缺血间隔和不同灌注干预中评估器官和细胞类型特异性转录组变化
综上，该研究开发的OrgnEx系统能够有效重建死亡一小时后猪的血液循环，使多个器官在细胞和组织水平上表现出功能活性。因此，有针对性的干预可以揭示大型哺乳动物体内重要器官在长时间热缺血后分子和细胞恢复的意外能力。这些发现揭示了细胞类型和组织特异性对全身范围内的一系列温暖缺血间隔和灌注干预的反应。这项研究有助于延长手术期间人体器官的健康，还可用于保存组织器官，增加移植器官的可用性。
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