暫時停止生命
──以人工冬眠換取急救時間
暫時停止人體功能的運作，可以保護重傷患者，或延長待移植器官的壽命。在動物的試驗已經有初步成果，人工冬眠將可期待。
撰文╱羅斯（Mark B. Roth）、尼斯圖爾（Todd Nystul）
翻譯／黃榮棋
以暫停生命（suspended animation，休眠）來延長人類生命的可能性，長久來一直讓科幻小說作家著迷。在虛構故事中，這種技術讓書中人物能夠「睡」過幾世紀的星際旅行或地球災難，醒來時不帶有歲月留下的痕跡。這些故事很有趣，但從生物角度而言，連影子都還沒看見。事實上，人類似乎沒有能力可以改變生命的進程速率。我們無法暫停細胞忙碌的活動，就像我們無法停止呼吸超過幾分鐘，否則，重要的器官將受到嚴重的傷害。
然而，自然界有許多的生物，能夠也確實讓自身的基本生命過程暫時停止，有些生物甚至可以一次停好多年。科學家用不同詞語來描述這種現象，像是靜止（quiescence）、休眠（torpor）與冬眠（hibernation）。這些辭彙都代表不同程度的暫停生命現象，也就是大幅減緩能量的製造（代謝）與消耗（細胞活性）。更甚者，處在這種狀態的生物，在面對極端溫度、缺氧等環境壓力，或甚至是身體的傷害時，都表現出超強的抗壓力。
撇開科幻小說的情節，要是能夠讓人體處於這種狀態，光是醫療而言，意義就可能十分重大。例如，有些準備用來移植的器官，像是心臟與肺臟，只能在體外存活六個小時。其他像是胰臟與腎臟，則無法超過一天。因此，器官移植能否成功，取決於速度。也就是說，只因為沒有足夠時間在器官損壞之前送達，就必須放棄某些可能的配對。美國每年雖然有數萬次成功的器官移植手術，但因為時間緊迫有時會造成失誤，要是時間充裕的話，或許就可以避免。
器官一旦脫離捐贈者的血液供應，很容易就因缺氧而受傷。根據器官共享聯合網絡的資料，在2004年裡取得的器官，有3216個沒有用到，其中有好幾百個是因為來不及找到或送達適當的受贈者。
代謝慢、活得久
很多種生物能夠停止某些或大多數細胞的活性，牠們通常都是因應環境壓力才有這種反應，而且會一直處於「停滯狀態」，直到壓力解除為止。例如，發育中的植物種子可以在土壤中休眠好幾年，直到適合發芽的狀況來臨。同樣的，俗稱海猴的豐年蝦（Artemia franciscana），胚胎可以在沒有任何食物、水或氧氣的狀況下，進入靜止狀態，這種類似種子的休眠狀態，可以維持五年以上，此時的細胞活性實際上是停滯的。一旦暴露在適合的自然環境之下，牠們就會繼續正常發育為成蝦。
類似休眠的狀態，可以是生命力的真正停止（顯微鏡下觀察到的所有細胞運動都停止），或是細胞依然活動但活性大減。例如，許多種動物的成體在冬眠時，食物或氧氣需求大幅減少，並持續一段很長的時間，此時幾乎察覺不到這些動物的呼吸與心跳速率，體溫也降到接近冰點，而細胞只會消耗少許的能量。地松鼠與其他數十種的哺乳動物，每年會以冬眠的方式度過寒冬歲月。而有些動物，包括各種不同的青蛙、蠑螈與魚為了避暑，則會在酷夏時分進入類似的狀態，稱為夏眠（estivation）。
這些生物能在長期缺氧的狀況下生存，是因為牠們能夠大幅降低能量的製造與需求，這與人類的正常狀況是截然不同的。我們完全仰賴氧氣的持續供應，因為身體的細胞需要氧氣來維續能量的製造。當身體組織裡的含氧量低於某個精確範圍，細胞就會遭受缺血性傷害，導致組織壞死。因此，即使只是一小段時間，缺血通常是心臟病發作、中風或其他身體重創引起組織血液不足、因而缺氧之後的死亡主因。
對多數生物而言，正常含氧量會促進有效的能量製造與細胞功能。作者與其他研究團隊也發現，含氧量極低（無氧）的狀況，可以刺激細胞進入休眠的保護狀態，而幾乎完全停止能量的製造或消耗。不過，當含氧量介於這兩者之間（氧氣不足），細胞會試圖繼續正常運作，可是氧氣供應的不足，使得它們的活性缺乏效率，而且可能傷害到自己。因此，要挽救氧氣供應不足的組織，也許可以透過恢復正常氧氣量，或阻斷殘餘氧氣的供應。
缺血時造成組織傷害的分子機制，雖然尚未釐清，但科學家都會同意，其中位於關鍵的，是細胞無法提供能量來維持自身的必要活性。細胞所消耗的能量大部份來自腺三磷酸（ATP）分子，這些分子主要是由細胞的粒線體，經由稱為氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）的過程製造出來的，而這個過程需要氧氣。含氧量下降時，氧化磷酸化的速率會減緩，ATP含量就跟著下降。因為ATP分子通常在製造出來後的幾秒鐘內，就給細胞用掉，人們相信，缺血性傷害的起因，只是因為含氧不足的細胞沒有足夠的氧氣用來製造ATP。
如果某些對能量需求不高、但同樣也是必要的細胞活動持續下去，傷害可能會加重，因而破壞細胞整體系統的協調。最後，氧化磷酸化本身也可能會傷害細胞。當含氧量低於最適量，氧化磷酸化過程會變得缺乏效率，能量會提早釋出，而產生活性極強的自由基分子。這些副產物的惡名來自於它們引起的老化效應，因為它們會傷害DNA及其他細胞構造。缺血時，自由基分子更會阻礙缺氧細胞執行關鍵功能的能力。
因此，為防止重傷患者的缺血傷害，心肺復甦術以及其他傳統方法的目的，就是要讓組織的血液循環盡快恢復，也就是恢復氧氣供應。由於人類的細胞不能沒有氧氣，這似乎是唯一的策略。然而，我們已經在處於類似休眠狀態的動物身上看到，由於細胞活性急遽下降，這些動物在缺氧狀況下不怎麼怕缺血。我們懷疑，在人身上誘發同樣的情形，也許可以讓人在低氧期間避免缺血造成的傷害。所以我們的團隊開始研究，想更了解生物面對缺氧時，停止運作的機制。
線蟲帶來的啟示
我們已經研究了各種廣泛使用的實驗動物，像是酵母菌、斑馬魚胚胎以及線蟲（Caenorhabditis elegans ）。線蟲可以在生活史中的任何一個階段進入休眠狀態。在無氧（anoxia，氧氣含量小於或等於0.001%）狀況下，線蟲就會進入休眠，並能維持在這種中止狀態24小時以上。
然而，不論是因為失血或血管阻塞，到達人類組織的血流如果切斷，含氧量可能永遠不會低到讓組織處於完全無氧的狀態。殘餘血液與組織本身中所殘存的氧，還可以讓少部份的氧化磷酸化繼續發生。但ATP產量的不足，使得細胞活性無法維持在正常速率，因此讓具有傷害性的自由基的產量增加。
為摸擬人類這種缺血狀態，我們可以讓發育中的線蟲胚胎暴露在「氧氣不足」（hypoxia）的狀況，此時含氧量約在0.01~0.1%之間，雖然比無氧狀況高，但還是遠低於一般空氣21%的正常含氧量（normoxia）。氧氣不足時，胚胎不會像在無氧狀況之下那樣進入休眠，而是會繼續進行胚胎發生（embryogenesis），結果在24小時之後，細胞發生形成顯著的傷害，並且死亡。
如果讓線蟲胎胚所處的環境含氧量稍微增加到0.5%，胚胎就可以像在正常含氧量之下照常發育。因此，線蟲雖然能在無氧狀況下以休眠狀態存活，也可以在含氧量低到0.5%的狀況下正常發育，但中間地帶的含氧量範圍，卻是要命的。
我們在線蟲的研究也指出，胎胚能在無氧狀況下進入休眠，不是單純因為氧氣不足而被迫造成的，而比較像是有目的的機制。我們找到了兩個基因，在無氧（而非缺氧）的狀況下，它們的功能似乎是中止胚胎細胞週期進行所必需的。缺乏這些基因的胚胎如果處於無氧狀況，細胞分裂就無法中止，造成染色體分離不正常，許多胚胎因而死亡。
羅斯與同事把實驗用的小鼠，放入圖中的密閉玻璃容器中，然後投送濃度不致於致命的硫化氫（H2S）氣體到容器中，長達六小時。在這組實驗中，小鼠的核心體溫與代謝速率下降的程度與速度，和容器中硫化氫的濃度有關。這個結果支持了他們的假說：硫化氫可以在通常不會冬眠的哺乳動物身上，誘發出類似自然冬眠的休眠狀態。
這些結果暗示，就像一般人會想到的，增加細胞可用的氧氣量是可以避免缺血性的傷害。但不只如此，連降低含氧量也可以。這個想法雖然大違當代的醫療慣例，但對保存人類組織而言卻有重要的意義：因為要讓準備移植用的各種器官維持充足的含氧量，或提供受傷患者受傷組織足夠的氧氣，並非易事，但也許可以降低它們的含氧量。
一個有效降低細胞取得氧氣的方法是加入氧氣仿劑（mimetic），這類物質在分子構造上類似氧氣，因而可以結合到許多氧分子會去結合的細胞位置，卻又不會產生氧分子造成的生化反應。例如，一氧化碳會與氧競爭，結合到細胞色素C氧化（cytochrome c oxidase，細胞內氧化磷酸化機具的一個元件，在正常的狀況下會與氧分子結合），但結合上去的一氧化碳並無法用來製造ATP。
我們因而懷疑，在線蟲胚胎處於中間地帶含氧量時，如果將一氧化碳加入這種氧氣不足的環境，阻斷胚胎可利用的少量殘餘氧氣，並有效模擬無氧狀況，能否保護線蟲胚胎免受缺血性傷害。我們發現，在這種狀況下，胚胎的確進入了休眠狀態，避開了致命缺血性後果。
到了2003年，這些令人鼓舞的結果讓我們期盼進一步測試這個觀念。先前對較大動物的研究，以及人類意外受害者能夠在低氧狀況中存活下來的懾人故事，在在暗示我們，挽救線蟲生命的機制，在更複雜的生物身上也許也存在。
誘發保護性休眠
許多的動物研究支持這個想法，即使是較大的動物，降低可利用的含氧量，也可以避免組織傷害。例如，在自然環境冬眠的動物，休眠狀態似乎會保護牠們免受傷害。美國阿拉斯加大學費班克分校北極生物研究所的德魯（Kelly L. Drew）及同事所做的實驗發現，將顯微探針伸入冬眠中的北極地松鼠腦部後，幾乎不會造成腦組織的死亡。但非冬眠的地松鼠如果遭受同樣的處理，組織很快就會受到損傷。
這些證據讓幾位研究人員想在平常不會冬眠的動物身上，誘發出類似冬眠的狀態，來看看細胞活性是否可以安全的減緩下來，同時藉此延長組織保存的時間，以利傷害的修復。美國匹茲堡大學已故的薩法（Peter Safar）及同事，以狗為研究對象，近20年來都在精進一種可以創造休眠狀態的過程。去年，薩法團隊描述了最近的實驗結果。為了創造休眠狀態，他們停止了14隻狗的心跳，然後把狗身上所有的血液都放光，再將冷生理食鹽水灌流進去。生理食鹽水攜帶氧氣的能力遠不如血液，因此這處理方式就大幅降低了狗組織的含氧量。之後，狗沒有了意識、呼吸及心跳。
薩法團隊將狗分成兩組，一組是有六隻狗的控制組，另一組有八隻狗，將會以手術摘除胰臟這個不會影響狗兒生存的器官。60分鐘的休眠狀態之後，重新灌流血液，讓狗兒復甦過來。72小時之後，所有的狗都還活著，而且所有控制組的狗，沒有一隻因為休眠而出現任何功能或神經上的不良效應。手術過的這八隻狗當中有四隻也是正常的，但其他四隻出現了某些神經障礙。
美國軍醫大學健康科學的瑞（Peter Rhee）與同事，以類似的技術誘發15隻成年約克夏豬進入休眠狀態，然後對其中幾隻豬進行血管修復手術。瑞的報告指出，所有接受測試的豬，記憶與學習能力都完全不受影響。
【意猶未盡嗎？欲閱讀完整全文，請參閱科學人2005年7月號〈暫時停止生命──以人工冬眠換取急救時間〉】
http://www.sciam.com.tw/read/re...ocNo=706&CL=4
