环球科技七天博览(4月27日)

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人脑死亡研究的最新进展

2019年4月18日,《自然》杂志以封面形式刊登了耶鲁大学神经科学系教授Nenad Sestan科研团队的最新研究:他们通过先进的体外灌流技术部分恢复了离体4小时的猪脑的微循环和细胞及分子功能。

研究发现了什么?

在研究中,科研人员一共使用了300头猪,其中32个猪脑被安置在名为BEx(BrainEx)的复杂装置上,让脑子“进水”6小时。当然,这种“水”是由血红蛋白、抗凝剂等成分组成的无细胞特殊溶液(血液是由血细胞、白细胞、血小板和血浆组成的有细胞液体),从动脉进,从静脉出。这个“进水”的过程就是灌流。需要说明的是,灌流组的大脑在实验前已经被处理了4小时,也就是说大脑已经“死亡”4小时。整个实验用时10小时。

结果显示,相比其他组,经BEx灌流的脑组织的微循环和血管功能能得到很好的重建,整个脑组织保持完整。同时,神经细胞水肿和死亡的比率降低,细胞的数目并没有明显下降。单个神经元能对电刺激产生反应,发生自发的突触电位。

但是,研究人员并没有观测到整个大脑的放电活动。另外,BEx灌流组的猪脑能正常消耗葡萄糖和氧气,保持代谢水平;胶质细胞(大脑中的免疫细胞)的免疫应答水平得到恢复。也就是说,BEx灌流可以使大脑的整体结构保持完整,部分脑细胞保持正常的生理机能,但目前缺少与大脑意识存在相关的电活动的证据。“本研究运用BEx技术,探索整个大脑缺氧和缺血状态下神经生理的恢复过程,为未来研究神经生理学提供了新的工具。可以想象,对该技术的改进可应用于更广阔对大型哺乳动物脑的相关领域。”论文总结道。

“体外保存部分脑组织的‘存活’并不是个新鲜事物,神经科学领域有个常用技术——脑片电生理,就是在体外的脑切片上最大限度的保持细胞的活性以及他们之间的联系,借此来研究神经细胞的特性和神经微环路,这个技术已经存在数十年了。”中国科学院神经科学研究所研究员徐敏评论说,“不过该研究在技术上还是向前推进了一步,它展示了体外完整保存大型动物脑组织的可能。”徐敏同时指出,另一方面,也是比较颠覆性的一点,说明传统意义上的脑死亡之后,甚至比较长的时间之后,还可以部分恢复脑细胞的活性。

死亡的大脑复活了吗

这一研究公布后,一些报道惊呼:猪大脑在死亡4小时候复活了!

“该研究测试了‘脑死亡’之后体外保存大脑中细胞的一些性质以及电活动与正常脑组织类似。但是,从文章展示的数据来看,与真正的‘再生’还有很大的距离。”徐敏对此评论说。

中国科学院生物物理所研究员王晓群主要做大脑研究。他认为,这一研究谈不上复活死亡大脑,因为“进水”后的猪脑整体上没有脑电正常的信号,“整个神经网络的活动就已经处于静止状态了”。

王晓群还指出,在心脏停止跳动以后,身体的氧供应受到影响,细胞就开始死亡。“但大脑是一个复杂的器官,并不是所有的细胞(在心脏停止跳动以后)瞬间都死掉了,而是一个逐渐死去的过程,因此,在很多死去的实验动物的大脑中,(即使不使用灌流),(短时间内)依然可以看到很多(单个)神经细胞自发放电。”王晓群解释说。

论文作者在文末也强调,本研究不能被过度解读为大脑正常功能的恢复,因为研究人员并未检测到与清醒、意识等大脑高级功能相关的脑电位活动。也就是说,猪脑在离体4小时后,经过专门配制的BEx液灌流,脑组织完整,代谢正常,脑细胞死亡少了,单个神经细胞能激发电位,大脑并没有“复活”过来。

大脑死亡标准遭挑战

尽管这一研究并不能使大脑产生意识,也不能使大脑起死回生,但展示出了一套经过设计的灌流系统,能使死亡大脑的部分细胞生理功能恢复,引发了科学界关于大脑死亡标准的讨论。

“大脑的记忆和思维能力,是不是在心脏跳动停止的一刹那失去功能,肯定不是的,但到底能保留多长,也是一个很大的问题。”王晓群认为,这个研究提出了一个问题,脑的死亡到底是什么。

根据我国现行的《脑死亡判定标准与技术规范(成人质控版)》,脑死亡确认标准为短潜伏期体感诱发电位消失、脑电图电静息和经颅多普勒超声相关信号消失等3项中的两项。

“从理论方面讲,我们现有的脑死亡标准是值得重新讨论的,因为现有脑死亡指的是脑功能不可逆性丧失,而当前研究表明传统脑死亡之后功能还可以有部分的恢复,因此从这方面讲,现有的死亡定义的确值得重新思考。”徐敏说。

徐敏同时指出:“从现实的角度讲,此类依靠技术维持的‘存活的脑’是否在医学具有存在的意义尚不明确,一般来讲此类医疗支持最终的目的是脑功能最终的恢复,但是从该研究目前的结果来看,并没有展示出这种可能性。”

也有科学家提出,如果有类似BrainEx技术经过改进优化应用于人体的情况,那么可能会和器官捐献发生冲突。“这就意味着之前宣布脑死亡(尤其是脑损伤引发缺氧导致的死亡)的患者需要的是苏醒治疗,而不是进行器官捐献。”凯斯西储大学医学院生物伦理学教授Stuart Youngner和Insoo Hyun评价道。(信息来源:科技日报)

 

3D打印可生长发育仿生骨与自然骨性能一致

3D打印可生长发育仿生骨

近日,西北工业大学汪焰恩教授团队的3D打印活性仿生骨技术取得突破性进展,团队研制的3D打印活性仿生骨可以做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致。动物活体试验显示,该技术制造的仿生骨可在生物体内“发育”,还能让自体细胞在人造骨中生长,最终将人造骨与自然骨很好地生长在一起,融入动物体内环境。目前,该团队已掌握3D打印仿生骨、软骨和皮肤的技术。

骨缺损是骨科临床最常见的疾病之一。据统计,我国每分钟就有7人因交通事故导致严重伤残,每年约有1000多万骨缺损患者。骨缺损修复重建一直是国际临床难题。传统金属、高分子材料存在仿生结构不可控、力学性能不匹配、生物相容性差、无发育功能、运动错位、磨损等术后并发症。尤其是没有生物学活性的假体,无法在人体内发育,不能与自然骨良好地融合,需要二次手术修复。

为了克服这项难题,科学家进行了不懈努力。随着3D打印技术的出现,以生物陶瓷为材料的3D打印骨,成为公认最为理想的骨填充材料。近年来,国外研究机构研发了3D打印生物陶瓷骨植入医疗器械。然而,该技术因采用酸性粘结剂和功能梯度,仍未实现陶瓷骨的完全降解,在植入后会给患者带来剧烈疼痛等副作用。

硬骨3D打印机

2004年,还是西工大一名博士研究生的汪焰恩,就为自己立下了“研制人造骨3D打印技术及装备”的目标。对于这一想法的源起,汪焰恩坦言:“我母亲的腿有残疾,当时我只是单纯希望能通过自己的努力治愈妈妈。”每当看着行动不变的母亲,他总是特别心疼。

由于传统陶瓷骨与自然骨的各项性能仍有较大差异,不能实现在动物体内的良好发育。为解决这一问题,汪焰恩首先从打印材料入手。羟基磷灰石是目前世界通用的仿人骨材料,然而,如何将粉末状的羟基磷灰石粘合起来,一直是个难题。国外就是因为采用了酸性粘结剂,而给被植入者带来术后痛苦。

汪焰恩说:“也许在搞化学的人看来,找到一种能够粘结羟基磷灰石的材料非常简单,但是,当这个问题一旦限定在3D打印和在人体上应用时,就变得异常复杂了。”

首先,粘结剂大多是粘稠和表面张力大的有机化合物,如何让其通过直径只有20μm(微米)近似于头发丝那么细的打印机喷嘴,成为最大的难题。同时,这种粘结剂还要能被动物乃至人体环境所接受。

为了找到这种合适的粘结剂,汪焰恩共试验了上百种不同的方案,用坏的喷嘴装满了好几个大箱子。终于,他找到了一种酸碱度类似于生物体环境,且性质良好不会堵塞喷嘴的粘合剂。

经过多年探索,汪焰恩和他的团队已经能将羟基磷灰石、粘合剂、细胞液、蛋白液(生长因子)等按照不同个体的骨骼性质,对打印材料进行科学配比,从而打印最适合被植入个体的人造仿生骨。

自然骨不仅外观形态非常不规则,而且其内部结构也比较复杂,不同部位的密度不一。想要让人造骨在结构上模仿自然骨,是极具挑战的。

汪焰恩发明了活性生物陶瓷仿生骨3D打印技术,解决了“怎么打”的问题。首先,利用激光对被打印对象进行片层扫描,还原对象的宏观和微观结构。再配比材料、铺粉打印环节。传统3D打印的材料单一、密度一致、粉体单一、铺粉均匀,难以满足仿生骨的打印需求。汪焰恩不仅研制了一套打印控制系统,还攻克了打印的关键机械技术,实现了仿生打印的结构复杂、密度不均、复合粉体和非均一铺粉。这套设备独创的常温压电超微雾化喷洒技术,突破了细胞液、蛋白液喷洒速度、喷洒量难以精细控制的技术瓶颈,处于国际先进水平。

同时,团队还建立了仿生骨与自然骨渗透率检测设备,实现了仿生骨发育能力简便、快速、客观的评估。动物试验表明,仿生骨在植入动物受体体内后,能够很好地发育,也就是通过受体的新陈代谢,使自体细胞在人造骨中生长,并最终完全长成自体骨。在西北工业大学与中国人民解放军空军军医大学(后建简称空军军医大学)的联合动物试验中,尚未发现排异反应的案例。

“从目前的试验来看,我们还不能明确指出仿生骨在受体体内会产生哪些副作用。这可能需要长时间的跟踪研究,才能有所发现。”汪焰恩的话语中充满了科学的严谨。

经过检测,该3D打印活性仿生骨与天然骨成份、结构、力学等性能达到高度一致。与其他类似3D打印技术相比,具有明显的技术优势。

据悉,其团队已经掌握了仿生骨、软骨和皮肤的3D打印技术。“下一步,我们将继续探索真皮层中汗腺、毛囊、皮脂腺等结构的稳定打印技术,做到与自然皮肤非常接近。”团队成员魏庆华说。目前,在3D打印兔子皮肤的植入试验中,仿生皮肤比自体皮肤愈合时间短25%。

 

防治癌症7个建议:癌症是可防可治的慢性病

 

数据显示,目前我国各种癌症5年相对生存率仍低于发达国家,究其原因,其中公众的防癌意识薄弱、癌症早期诊断率偏低是重要原因,这也直接影响了患者早期治愈的机会和5年生存期指标。每年4月中下旬是全国肿瘤防治宣传周。在今年的宣传周上,首都医科大学肺癌诊疗中心主任、中国胸外科肺癌联盟主席支修益教授表示,当今癌症作为常见病、多发病、慢性病、老年病,已“大摇大摆”地走进人们的生活。进入21世纪以来,癌症整体死亡率已占到各类慢性疾病的首位,而随着诊断技术和治疗水平的不断提升,癌症已不再是疑难杂症,而是一种可防可治的慢性病。

肺癌:关注度与知晓率高

在近日举办的一个创新药物分享会上,支修益表示,过去体检筛查的手段简单,只要是经体检发现的癌症基本都是晚期。以肺癌为例,上世纪七八十年代,发病率还比较低,但是,几十年的胸透,胸片都没能降低肺癌的死亡率。当前最新的筛查手段是早期发现早期癌症,而不只是发现癌症。他说,目前我国每年新确诊癌症人数接近430万,每年因癌症死亡人数为280万,自2012年以来,肺癌已成为各类癌症发病率的首位,也是大众知晓率最多的癌症之一。

肺癌是一个被“气”死的病,防范肺癌首先应远离“五气”,即烟草烟气污染、室外大气污染、厨房油烟污染、房屋装修后的室内空气污染;还有一个就是长期爱生闷气。目前肺癌已成为一种慢性生活方式病,通过健康的生活方式、通过早期筛查早期治疗是可以预防和实现临床治愈的,而晚期肺癌患者通过基因检测指导下的分子靶向治疗,也可以实现“与癌共舞带癌生存”,因此,肺癌患者不必“谈癌色变”,科学防范肺癌应重视早诊早治。

专家建议,“早期”不仅是指早期发现肺癌,更强调早期发现“早期肺癌”。以前只强调早期发现肺癌,结果是早期发现了晚期肺癌,因此预防肺癌首先要远离“烟气”,包括一手烟二手烟和三手烟的烟草烟雾污染。此外厨房油烟污染、房屋装修和装饰材料带来的室内空气污染往往被公众所忽略,房屋装修和装饰材料所产生的氡、苯和甲醛等有害气体,以及烹饪过程中燃烧产生释放出的有害气体,也是肺癌高发的“元凶”。所以,房屋装修时应选择绿色环保的装修材料,烹饪时应全程打开抽油烟机,并保持室内通风。

防范肺癌还应重视“心理污染”。有种性格叫作“癌性格”,也被称作为“C性格”。这样的人一般性格内向孤僻、不擅于与人交流、遇事常常爱生闷气,长此以往肯定会影响机体的免疫功能,使癌症有机可乘。因此,遇有突发事件或心情郁闷时,一定要多同家人、好友沟通交流,及时化解不良情绪,尽可能地减少“心理污染”。性格孤僻的人要学会调整好自己,必要时请心理医生帮忙,正确面对工作生活中的负面事件。

卵巢癌:关注度与知晓率低

据最新流行病学数据显示,卵巢癌发病率居女性生殖系统恶性肿瘤第3位,死亡率居妇科恶性肿瘤之首。卵巢癌发病率高,死亡率高,严重威胁女性的生命安全。在近日举办的“2019健康义跑暨卵巢癌患者关爱活动”上,中国抗癌协会康复会秘书长、北京爱谱癌症患者关爱基金会副理事长甄荣表示,和乳腺癌、宫颈癌等妇科肿瘤疾病不同,卵巢癌社会关注度偏低,认知度不高。

卵巢癌被称为女性“沉默的杀手”,我国每年新发卵巢癌患者约5万人,死亡人数已大于2万人,死亡率接近50%。希望大众增强对卵巢癌疾病的了解,提高社会对卵巢癌患者的关注,提升患者科学治疗的意识。

中国抗癌协会妇科肿瘤专业委员会候任主委吴小华教授说,卵巢癌死亡率居高不下,主要有3个原因,首先,卵巢癌病情隐匿,缺乏精准有效的筛查手段。其早期发病无明显症状,患者容易忽视就诊,约有70%的卵巢癌患者发现时已是晚期;其次,卵巢癌复发率极高。晚期卵巢癌在标准治疗3年内通常会复发,复发阶段在很大程度上无法彻底治愈,且患者容易出现化疗耐药的情况,预后较差;第三,缺乏精准有效的治疗手段。

专家表示,随着医学的进步,目前卵巢癌领域取得了新的进展,如2018年8月,肿瘤治疗靶向药奥拉帕利在中国获批,用于敏感复发性卵巢癌的维持治疗,将我国卵巢癌的治疗带入精准靶向治疗阶段。临床研究证实,奥拉帕利维持治疗降低疾病进展或死亡风险65%,中位无疾病进展生存期提高至近一倍。对于卵巢癌患者来说,奥拉帕利的上市及获批,将极大地改善我国晚期卵巢癌的治疗现状,为更多的患者和家庭带来希望。

多学科会诊全面治疗有方案

时间对肿瘤患者来说就是生命,抓住最佳时机有助于获得更好的治疗结果。然而,现实情况往往是病情复杂的肿瘤患者在医院要跑好几个科室,无法一次解决问题。先手术还是先化疗?放疗化疗可以同步进行吗?不同科室给出的方案往往不尽相同。在这个过程中,不但耗费了大量时间精力,还可能会耽误病情。目前,多学科(MDT)会诊模式正在解决肿瘤患者的这种困扰,集中多学科智慧,为患者提供更高效、更完善的解决方案。

在近日举办的“2019全国肿瘤防治宣传周多学科名医义诊及系列科普公益活动“上,北京大学肿瘤医院院长季加孚教授强调,对疾病的知识掌握可以分科,但是对疾病的诊治应该综合考虑。肿瘤是累及全身的大病,更需要多学科会诊,可以避免误诊误治,也能节省患者的时间,提高诊疗效率。比起单科诊疗,MDT能得出最优诊疗方案,可以使患者最大化获益。

在北京和睦家医院启望肿瘤中心,记者看到一位专程从广东赶来参加义诊的胃癌患者,他说,自己病情复杂,已在当地和北京的多家医院挂了很多专家门诊,但各科医生说法不一,他始终没弄明白哪种方法能达到最好的效果,因此耽误了很多时间。“今天一次见到了众多国内最好的专家,虽然他们来自不同科室,但经过细致的问诊和认真的讨论,最终对我的病该怎么治达成了共识。拿到这样一套完整的意见,我终于可以放心治疗了。早知道有这样高效率的办法,我能少走不少弯路。”

当前,对于降低癌症的死亡率,防大于治,已经成为众多医生的共识。专家表示,有约1/3的癌症可以通过改善生活方式得到预防,而更多癌症如果能早期发现,治愈率可达80%至90%。在过去25年间,由于推行有效的癌症筛查项目、广泛禁烟、抗癌新药的不断涌现,美国癌症总死亡率下降了27%,相当于癌症发病人数减少了约260万,这其中的经验可以给面临癌症高发和人口老龄化问题的中国提供启示。

专家强调,通过主动积极的预防和干预,至少30%的癌症是可以预防的,30%的肿瘤患者是能够做到早期发现的。倡导健康的生活方式、了解自己的高危因素、定期进行预防咨询、30岁以后每年做个体化防癌体检,都是肿瘤得以积极防控、提高早诊率的有效途径。

 

自然》新发现:汉语起源于北方

国科学家首次确认了包含汉语在内的汉藏语系起源于大约4000-6000年前的中国北方黄河流域。

如果没有语言,就不可能有人类文明。作为中国文明载体的汉语,承载着中国人对世界的独特体验,蕴藏着中国智慧。但是汉语从何处来?又是怎样演化的?一直以来在语言学界充满着各种假设和争论。

今天,在学术期刊Nature中,中国科学家发表最新研究成果,他们利用统计学分析方法,结合遗传学、语言学、考古学等证据,首次确认了包含汉语在内的汉藏语系起源于大约4000-6000年前的中国北方黄河流域。而汉语是最早从汉藏语系中分化的语族,这一时间可以追溯到大约5900年前。

仰韶文化与马家窑文化的范围(图片来源:Nature)

南北起源之争

汉藏语系是语言学家按照谱系分类法划分的一组语群,按照使用人数计算,是仅次于印欧语系的第二大语系,它包含超过400种语言和方言,总使用人数达到15亿左右,汉语、藏语、缅甸语都属于该语系。

对汉藏语系从何处何时起源,之后又是如何演化进行研究,一方面可以深入了解不同语言之间的关系,以及它们之间的相互作用;另一方面,由于史前的语言发展与人类活动息息相关,了解语言的演化过程对于回答欧亚大陆东部人口迁徙等问题也至关重要。

汉藏语系的分支(图片来源:STEDT/UC Berkeley)

此前,对于汉藏语系起源于何时何地,语言学家们一直存在争议。一种假说认为,它起源于大约4000-6000年前的中国北方黄河流域,研究人员认为来自黄河流域上游和中游地区的人们说的是汉藏语系的祖先语言,在4000-6000年前,一部分人向西迁徙到了西藏,向南迁徙到了缅甸,他们成为使用藏缅语言的祖先;另外一部分人向东、向南迁移,最终成为说汉语的汉人。这种观点被称为“北方起源假说”,大多数历史语言学家倾向于这一假说,并认为汉藏语系的扩张与新石器时期的仰韶文化和马家窑文化的发展有着密切的联系。

另外一种被称为“西南起源假说”的观点认为,汉藏语系起源于至少9000年前的西南部地区,主要包括现在的中国四川西南部、云南以及印度东北部一带。这种假说进而又分为两种假设,一种认为说汉藏语言的人群起源于13500年前的四川西南部,在大概9000年前分化为两支:一组人群前往印度东北部,另外一组人群向北前往黄河盆地地区,后一群人被认为是当代中国人的前身。另外一个假设认为汉藏语言起源于大约9000年前的印度东北部。

证实北方起源假说

此次,上海复旦大学教授金力及同事对109种汉藏语系语言词汇中词语的字根意义进行了统计学分析,结果与“北方起源假设”一致,同时研究人员得出的结果与遗传学、考古学、人类学等学科收集的证据能够相互验证。

研究人员认为,汉藏语系的分化主要与中国北方的两种新石器时代文化有关。汉藏语系分化为汉语言首次出现于约5900年前,发生在新石器时代仰韶文化时期,而藏缅语的分化大约出现于4700年前,发生在马家窑文化中期。同时,藏缅语言的分化时间与来自Y染色体的遗传证据一致。2000年,美国得克萨斯大学休斯顿分校的研究人员,在分析了汉藏语言人群的Y基因组之后,认为在一万年前的黄河中上游地区生活的古代人群,发展了东亚最早的新石器时代文化,他们是现代汉藏人口的祖先。

考古学证据表明,汉藏语言的分化与两种新石器时代文化发展之间的关系,可能归因于人口的快速增长以及农业的发展。黄河流域的大量考古遗址以及森林砍伐情况表明,在大概6000年前这一地区出现了人口的快速增长,这一情况在5000-4500年前加剧。

此外,研究人员认为,汉藏语言的传播可能与小米农业自6000年前起的地理分布有关。小米(又称粟)农业的发展主要出现在的中国北方,特别是黄河流域,之后并向西部、南部,沿着青藏高原边缘传播。

此次研究的作者之一、复旦大学生命科学学院人类学博士后张梦翰表示,在史前,语言的分化和传播都是依赖于人的活动来进行。所以能够看到在史前,语言的分化或多或少也能反应那些群体或者说这些语言的先民的活动情况。

语言学家、上海师范大学教授潘悟云在接受采访时表示,在东亚地区,很早就有人类活动,他们向北迁移,在黄河中下游形成汉藏语系的祖先。这些祖先一部分向东南迁移,到达中原地区,形成汉语。第二部分向西南迁移,主要就是藏民。此后,由于气候和北方长期战乱的原因,汉族的分布、迁徙大部分是从北向南,“我们的语言反应出来的大体上也是这个情况。”潘悟云说。

解决人类重大问题的钥匙

在同刊发布的评论文章中,新加坡南洋理工大学教授Randy J. LaPolla表示,这一研究成功在很多方面具有重要意义。他认为,对汉藏语系的研究历史远没有印欧语系时间长,因此,关于汉藏语系很多基础性的关键点一直以来并不确定,比如汉藏语系的起源问题。“此次研究,作者加深了人们对汉藏语系基础性问题的认识,这可以让其余学者在此基础上更深入地探索这一语言家族地历史,”Randy J. LaPolla写道,“除此之外,这项研究还有助于其他学科的研究,比如考古学及历史学。”

从方法学上来说,此次研究也是一次创新与突破。据潘悟云介绍,此次研究采用了贝叶斯系统发生学方法,取代了传统的语言年代学方法,使得语言年代的确定从猜想走向实证。

复旦大学人类表型组研究院助理研究员、论文作者之一严实认为,此次研究对未来进行汉藏语研究以及中国各种语言的演化研究做出了一个理论框架,知道了汉藏语系,包括中国、缅甸、印度的源头在哪儿。通过这个问题未来还可以研究很多语言学的其它问题,比如考古学、民族学,甚至还可以拓展到社会演化、文化演化等方面,起到承上启下的作用。

“我们之后的目标还是通过语言学和遗传学来继续研究整个中国、东亚地区的人群起源、混合、发展、演化的过程。”严实说。(信息来源:环球科学)

(洪田 编辑整理)

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