让患者暂时进入“冬眠状态”，更安全地进行心脏等手术。这就是在科幻世界中被称为“冷冻休眠”的“人工冬眠”。让人体进入这样的状态，除了用于大难度手术外，科学家还在研究通过降低新陈代谢水平、氧气和能量的需求，最大限度地减少对患者内脏器官和组织的损害。人工冬眠除了延命措施、保存器官等医疗用途外，还有望应用于载人航天领域。
日本理化学研究所（理研）和京都大学的研究团队于2022年11月14日宣布，确认可以通过刺激小鼠大脑内的特定神经使其进入人工冬眠状态，从而能够在心血管手术时减轻肾脏的负担。该成果是在理研和筑波大学的研究团队2020年“人工冬眠实验小鼠”的基础上取得的，向医疗应用迈进了一步。
人工冬眠技术应用示例（图片由理研及筑波大学提供、图中中文由JST客观日本翻译制作）
长期以来，一直只是科幻小说和梦想世界中的事情
脊椎动物中，哺乳动物通过控制代谢使体温保持在37℃左右，也就是说它们有温度“维持恒常性”的机制，但仍有一部分物种在冬季寒冷期或饥饿状态下可以自行降低代谢水平，降低体温。这种身体调节得来的低代谢就是“休眠”，24小时以内的休眠被称为“日间休眠”，季节性休眠被称为“冬眠”。
冬眠的研究由来已久，可以追溯到16世纪左右，随着心电图和脑波计测的出现研究进一步取得发展。冬眠的哺乳动物为了度过食物不足的寒冷期而维持“节能状态”，从而在缺乏营养的环境中生存下来，但是人们并不太清楚其中的具体机理，将冬眠动物的优点应用于人类医疗的研究也很长时间无人问津。
出现在科幻作品中的“冷冻休眠”将人体冷冻保存以维持生命并防止老化，苏醒时只有时间流逝了许久。比如电影《2001太空漫游》中就有在乘坐宇宙飞船进行星际旅行时身体不会衰老的设定。但是在现实世界中，冷冻身体时水分的冻结会破坏细胞，因此冷冻休眠实际用于真实社会还只是长期以来的一个梦想。
人类非但没有冬眠，体温哪怕比正常体温高一、二度都会影响身体状况。为此不可能在人体上进行需要诱导体温下降的人工冬眠研究。熊是众所周知的冬眠动物，但实验动物多为并不冬眠的小鼠和大鼠，所以人工冬眠研究一直停滞不前。现在迫切需要一种可以人为地随意使其冬眠的小动物。
哺乳动物为了维持体温需要消耗许多能量，但熊等部分物种可以在冬季寒冷期或饥饿时自行降低新陈代谢水平以便降低体温。（图片由筑波大学及理研提供、图中中文由JST客观日本翻译制作）
推进研究进步的冬眠小鼠诞生
可以实现人工冬眠的实验小鼠的诞生成为了推动人工冬眠研究大幅进步的契机。2020年6月筑波大学医学医疗系的樱井武教授和理研生命机能科学研究中心的基础科学特别研究员（当时）砂川玄志郎等人组成的研究团队在英国科学杂志《自然》（电子版）上发表论文称，通过刺激原本不冬眠的小鼠和大鼠脑中被命名为“休眠诱导神经”（Q神经）的细胞，创造出了小鼠接近冬眠的状态。
据该研究团队介绍，Q神经位于大脑中负责体温调节和睡眠等的丘脑下部。当用某种药剂人为刺激Q神经使之兴奋时，正常维持在37℃附近的小鼠体温会大幅度降低，代谢活动的耗氧量也大幅减少。停止用药后，处于类似冬眠状态的小鼠大约一周后恢复到了正常状态。研究人员将这种低代谢状态称之为“QIH”。
这个研究表明，通过刺激许多哺乳动物都有的Q神经可以使通常不冬眠的动物实现人工冬眠。这样便能得到实现了人工冬眠的实验小鼠。
发表这项研究成果时，樱井教授等人认为，“让不冬眠的动物人工冬眠，处于类似冬眠的低代谢状态，即QIH，是解开至今未知的冬眠诱导机制的关键。这也让人类的人工冬眠有了现实意味”。
左图上方是通常状态的小鼠，下方是冬眠状态的小鼠。右图为左图的热成像图。与上方的通常状态小鼠相比，冬眠状态的小鼠体温要低很多（图片由筑波大学樱井武教授及理研提供、图中中文由JST客观日本翻译制作）
不用低体温也能预防损害
上述发表两年后的现在，研究又取得了进展——理研生命机能科学研究中心的项目总监砂川玄志郎、研究总监升本英利以及京都大学大学院医学研究科博士生组成的研究团队，把迄今为止的人工冬眠的研究朝着实现安全的心血管手术方向又前进了一大步。
砂川玄志郎项目总监（左）和升本英利研究总监（右）（图片由理研提供）
根据日本厚生劳动省的数据，日本死于心脏病的人数仅次于癌症，2019年的死亡率为每10万人中168人。日本胸部外科学会的数据显示，2017年全年日本有心血管手术约7万件，手术中的死亡率，比如急性主动脉剥离手术就接近10%。这是因为手术时需要停止体内血液循环，有5～50%的患者会发生肾损伤（围术期急性肾损伤）。
据升本研究总监等人介绍，进行大动脉手术时，为了减少肾损伤，会使用人工心肺装置冷却血液，再使其回到身体，降低体温保护脏器。没有血液流动的脏器处于低氧状态，会增加脏器负担，因此要通过低体温降低代谢水平，减少耗氧量。但这样会使手术时间变长，容易引起感染和出血等问题。
目前进行大动脉手术时的停循环（图右）和人工心肺辅助循环（图左）示意图。 将来若能运用人工冬眠技术，则有望降低器官损伤风险（图片由理研和京都大学提供、图中中文由JST客观日本翻译制作）
能否通过人工冬眠技术来解决上述问题呢？研究团队利用2020年的研究成果，制作出了能够人工操作Q神经的QIH小鼠。模拟实际的血管手术，阻断主动脉血流，使其处于缺血状态。由此确认QIH小鼠即使不降低体温也能一定程度地预防肾损伤。
有望实现短时间的“友好手术”
理研和京都大学的研究团队2022年11月发表的这一成果显示，即使不降低体温，如果能够人为制造出冬眠状态，抑制代谢，也有可能获得保护脏器的效果。理研砂川玄志郎项目总监和升本英利研究总监强调说：“今后对于人类如果也能开发出诱导QIH的方法，将来在进行需要停循环的心血管手术时，就有可能无需进行低温停循环也能保护肾脏。”
通过诱导进入冬眠状态来实现心血管手术时的肾脏保护示意图（图片由理研和京都大学提供、图中中文由JST客观日本翻译制作）
升本研究总监在记者发布会上说，“不仅是日本，全世界的动脉硬化患者都在增加，所以动脉手术也在增加。日本的大动脉手术每年有2万件，今后可能还会增加。人的平均寿命也在增高，更多的人手术前就已经出现脏器损伤。随着这些老年患者的手术数量的增加，进一步抑制手术过程中损伤的策略将变得十分必要” 。“即使不使病人身体保持（有风险的）低体温状态，如果能（通过人工冬眠进入低代谢状态）在短时间内完成手术，对患者来说也更友好”。
人工冬眠在医疗领域的应用并不只是心血管手术。比如重症肺炎，患者的各个器官都处于缺氧状态，需要人工供氧。这种情况下，在戴上呼吸机时如果能使患者进入冬眠状态，器官的耗氧量就会减少，从而降低器官受损的风险。此外，人工冬眠还能在移植手术中发挥作用。
随着太空开发技术的进步，载人航天探索的目标正在从月球扩展到火星等行星。筑波大学的樱井教授等人认为，人工冬眠技术将来还能在氧气和食物有限的太空探索领域做出贡献。人类掌握人工冬眠技术也许并不遥远了。
原文：内城喜贵／科学记者／JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【相关链接】
理化学研究所新闻稿“人工冬眠有望助力安全的心血管手术--诱导类似冬眠的状态可以保护器官不发生缺血”（日文）
理化学研究所新闻稿“发现一种诱导类似冬眠状态的新型神经回路——为实现人工冬眠迈出了重要一步”
