暂时停止生命
──以人工冬眠换取急救时间
暂时停止人体功能的运作，可以保护重伤患者，或延长待移植器官的寿命。在动物的试验已经有初步成果，人工冬眠将可期待。
撰文╱罗斯（Mark B. Roth）、尼斯图尔（Todd Nystul）
翻译／黄荣棋
以暂停生命（suspended animation，休眠）来延长人类生命的可能性，长久来一直让科幻小说作家着迷。在虚构故事中，这种技术让书中人物能够「睡」过几世纪的星际旅行或地球灾难，醒来时不带有岁月留下的痕迹。这些故事很有趣，但从生物角度而言，连影子都还没看见。事实上，人类似乎没有能力可以改变生命的进程速率。我们无法暂停细胞忙碌的活动，就像我们无法停止呼吸超过几分钟，否则，重要的器官将受到严重的伤害。
然而，自然界有许多的生物，能够也确实让自身的基本生命过程暂时停止，有些生物甚至可以一次停好多年。科学家用不同词语来描述这种现象，像是静止（quiescence）、休眠（torpor）与冬眠（hibernation）。这些辞汇都代表不同程度的暂停生命现象，也就是大幅减缓能量的制造（代谢）与消耗（细胞活性）。更甚者，处在这种状态的生物，在面对极端温度、缺氧等环境压力，或甚至是身体的伤害时，都表现出超强的抗压力。
撇开科幻小说的情节，要是能够让人体处于这种状态，光是医疗而言，意义就可能十分重大。例如，有些准备用来移植的器官，像是心脏与肺脏，只能在体外存活六个小时。其他像是胰脏与肾脏，则无法超过一天。因此，器官移植能否成功，取决于速度。也就是说，只因为没有足够时间在器官损坏之前送达，就必须放弃某些可能的配对。美国每年虽然有数万次成功的器官移植手术，但因为时间紧迫有时会造成失误，要是时间充裕的话，或许就可以避免。
器官一旦脱离捐赠者的血液供应，很容易就因缺氧而受伤。根据器官共享联合网络的资料，在2004年里取得的器官，有3216个没有用到，其中有好几百个是因为来不及找到或送达适当的受赠者。
代谢慢、活得久
很多种生物能够停止某些或大多数细胞的活性，它们通常都是因应环境压力才有这种反应，而且会一直处于「停滞状态」，直到压力解除为止。例如，发育中的植物种子可以在土壤中休眠好几年，直到适合发芽的状况来临。同样的，俗称海猴的丰年虾（Artemia franciscana），胚胎可以在没有任何食物、水或氧气的状况下，进入静止状态，这种类似种子的休眠状态，可以维持五年以上，此时的细胞活性实际上是停滞的。一旦暴露在适合的自然环境之下，它们就会继续正常发育为成虾。
类似休眠的状态，可以是生命力的真正停止（显微镜下观察到的所有细胞运动都停止），或是细胞依然活动但活性大减。例如，许多种动物的成体在冬眠时，食物或氧气需求大幅减少，并持续一段很长的时间，此时几乎察觉不到这些动物的呼吸与心跳速率，体温也降到接近冰点，而细胞只会消耗少许的能量。地松鼠与其他数十种的哺乳动物，每年会以冬眠的方式度过寒冬岁月。而有些动物，包括各种不同的青蛙、蝾螈与鱼为了避暑，则会在酷夏时分进入类似的状态，称为夏眠（estivation）。
这些生物能在长期缺氧的状况下生存，是因为它们能够大幅降低能量的制造与需求，这与人类的正常状况是截然不同的。我们完全仰赖氧气的持续供应，因为身体的细胞需要氧气来维续能量的制造。当身体组织里的含氧量低于某个精确范围，细胞就会遭受缺血性伤害，导致组织坏死。因此，即使只是一小段时间，缺血通常是心脏病发作、中风或其他身体重创引起组织血液不足、因而缺氧之后的死亡主因。
对多数生物而言，正常含氧量会促进有效的能量制造与细胞功能。作者与其他研究团队也发现，含氧量极低（无氧）的状况，可以刺激细胞进入休眠的保护状态，而几乎完全停止能量的制造或消耗。不过，当含氧量介于这两者之间（氧气不足），细胞会试图继续正常运作，可是氧气供应的不足，使得它们的活性缺乏效率，而且可能伤害到自己。因此，要挽救氧气供应不足的组织，也许可以透过恢复正常氧气量，或阻断残余氧气的供应。
缺血时造成组织伤害的分子机制，虽然尚未厘清，但科学家都会同意，其中位于关键的，是细胞无法提供能量来维持自身的必要活性。细胞所消耗的能量大部份来自腺三磷酸（ATP）分子，这些分子主要是由细胞的粒线体，经由称为氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）的过程制造出来的，而这个过程需要氧气。含氧量下降时，氧化磷酸化的速率会减缓，ATP含量就跟着下降。因为ATP分子通常在制造出来后的几秒钟内，就给细胞用掉，人们相信，缺血性伤害的起因，只是因为含氧不足的细胞没有足够的氧气用来制造ATP。
如果某些对能量需求不高、但同样也是必要的细胞活动持续下去，伤害可能会加重，因而破坏细胞整体系统的协调。最后，氧化磷酸化本身也可能会伤害细胞。当含氧量低于最适量，氧化磷酸化过程会变得缺乏效率，能量会提早释出，而产生活性极强的自由基分子。这些副产物的恶名来自于它们引起的老化效应，因为它们会伤害DNA及其他细胞构造。缺血时，自由基分子更会阻碍缺氧细胞执行关键功能的能力。
因此，为防止重伤患者的缺血伤害，心肺复苏术以及其他传统方法的目的，就是要让组织的血液循环尽快恢复，也就是恢复氧气供应。由于人类的细胞不能没有氧气，这似乎是唯一的策略。然而，我们已经在处于类似休眠状态的动物身上看到，由于细胞活性急遽下降，这些动物在缺氧状况下不怎么怕缺血。我们怀疑，在人身上诱发同样的情形，也许可以让人在低氧期间避免缺血造成的伤害。所以我们的团队开始研究，想更了解生物面对缺氧时，停止运作的机制。
线虫带来的启示
我们已经研究了各种广泛使用的实验动物，像是酵母菌、斑马鱼胚胎以及线虫（Caenorhabditis elegans ）。线虫可以在生活史中的任何一个阶段进入休眠状态。在无氧（anoxia，氧气含量小于或等于0.001%）状况下，线虫就会进入休眠，并能维持在这种中止状态24小时以上。
然而，不论是因为失血或血管阻塞，到达人类组织的血流如果切断，含氧量可能永远不会低到让组织处于完全无氧的状态。残余血液与组织本身中所残存的氧，还可以让少部份的氧化磷酸化继续发生。但ATP产量的不足，使得细胞活性无法维持在正常速率，因此让具有伤害性的自由基的产量增加。
为摸拟人类这种缺血状态，我们可以让发育中的线虫胚胎暴露在「氧气不足」（hypoxia）的状况，此时含氧量约在0.01~0.1%之间，虽然比无氧状况高，但还是远低于一般空气21%的正常含氧量（normoxia）。氧气不足时，胚胎不会像在无氧状况之下那样进入休眠，而是会继续进行胚胎发生（embryogenesis），结果在24小时之后，细胞发生形成显着的伤害，并且死亡。
如果让线虫胎胚所处的环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发育。因此，线虫虽然能在无氧状况下以休眠状态存活，也可以在含氧量低到0.5%的状况下正常发育，但中间地带的含氧量范围，却是要命的。
我们在线虫的研究也指出，胎胚能在无氧状况下进入休眠，不是单纯因为氧气不足而被迫造成的，而比较像是有目的的机制。我们找到了两个基因，在无氧（而非缺氧）的状况下，它们的功能似乎是中止胚胎细胞周期进行所必需的。缺乏这些基因的胚胎如果处于无氧状况，细胞分裂就无法中止，造成染色体分离不正常，许多胚胎因而死亡。
罗斯与同事把实验用的小鼠，放入图中的密闭玻璃容器中，然后投送浓度不致于致命的硫化氢（H2S）气体到容器中，长达六小时。在这组实验中，小鼠的核心体温与代谢速率下降的程度与速度，和容器中硫化氢的浓度有关。这个结果支持了他们的假说：硫化氢可以在通常不会冬眠的哺乳动物身上，诱发出类似自然冬眠的休眠状态。
这些结果暗示，就像一般人会想到的，增加细胞可用的氧气量是可以避免缺血性的伤害。但不只如此，连降低含氧量也可以。这个想法虽然大违当代的医疗惯例，但对保存人类组织而言却有重要的意义：因为要让准备移植用的各种器官维持充足的含氧量，或提供受伤患者受伤组织足够的氧气，并非易事，但也许可以降低它们的含氧量。
一个有效降低细胞取得氧气的方法是加入氧气仿剂（mimetic），这类物质在分子构造上类似氧气，因而可以结合到许多氧分子会去结合的细胞位置，却又不会产生氧分子造成的生化反应。例如，一氧化碳会与氧竞争，结合到细胞色素C氧化（cytochrome c oxidase，细胞内氧化磷酸化机具的一个元件，在正常的状况下会与氧分子结合），但结合上去的一氧化碳并无法用来制造ATP。
我们因而怀疑，在线虫胚胎处于中间地带含氧量时，如果将一氧化碳加入这种氧气不足的环境，阻断胚胎可利用的少量残余氧气，并有效模拟无氧状况，能否保护线虫胚胎免受缺血性伤害。我们发现，在这种状况下，胚胎的确进入了休眠状态，避开了致命缺血性后果。
到了2003年，这些令人鼓舞的结果让我们期盼进一步测试这个观念。先前对较大动物的研究，以及人类意外受害者能够在低氧状况中存活下来的慑人故事，在在暗示我们，挽救线虫生命的机制，在更复杂的生物身上也许也存在。
诱发保护性休眠
许多的动物研究支持这个想法，即使是较大的动物，降低可利用的含氧量，也可以避免组织伤害。例如，在自然环境冬眠的动物，休眠状态似乎会保护它们免受伤害。美国阿拉斯加大学费班克分校北极生物研究所的德鲁（Kelly L. Drew）及同事所做的实验发现，将显微探针伸入冬眠中的北极地松鼠脑部后，几乎不会造成脑组织的死亡。但非冬眠的地松鼠如果遭受同样的处理，组织很快就会受到损伤。
这些证据让几位研究人员想在平常不会冬眠的动物身上，诱发出类似冬眠的状态，来看看细胞活性是否可以安全的减缓下来，同时藉此延长组织保存的时间，以利伤害的修复。美国匹兹堡大学已故的萨法（Peter Safar）及同事，以狗为研究对象，近20年来都在精进一种可以创造休眠状态的过程。去年，萨法团队描述了最近的实验结果。为了创造休眠状态，他们停止了14只狗的心跳，然后把狗身上所有的血液都放光，再将冷生理食盐水灌流进去。生理食盐水携带氧气的能力远不如血液，因此这处理方式就大幅降低了狗组织的含氧量。之后，狗没有了意识、呼吸及心跳。
萨法团队将狗分成两组，一组是有六只狗的控制组，另一组有八只狗，将会以手术摘除胰脏这个不会影响狗儿生存的器官。60分钟的休眠状态之后，重新灌流血液，让狗儿复苏过来。72小时之后，所有的狗都还活着，而且所有控制组的狗，没有一只因为休眠而出现任何功能或神经上的不良效应。手术过的这八只狗当中有四只也是正常的，但其他四只出现了某些神经障碍。
美国军医大学健康科学的瑞（Peter Rhee）与同事，以类似的技术诱发15只成年约克夏猪进入休眠状态，然后对其中几只猪进行血管修复手术。瑞的报告指出，所有接受测试的猪，记忆与学习能力都完全不受影响。
【意犹未尽吗？欲阅读完整全文，请参阅科学人2005年7月号〈暂时停止生命──以人工冬眠换取急救时间〉】
http://www.sciam.com.tw/read/re...ocNo=706&CL=4
