10月10日 温度与生命 (刘静)-第2章
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下面我们来继续介绍高温生物医学，前面主要是一些理解生命现象，人类实际上现在已经发展到主动地来应用温度跟人体的一些关系来进行医学目的。这方面一个比较重要的例子，就是肿瘤热疗。因为通过大量的动物细胞学实验发现，加热对细胞是有直接的毒性作用，一般的细胞受热达到41℃到45℃的时候，而且能够维持数十分钟之上，就可以杀灭哺乳动物肿瘤细胞。所以这就是肿瘤热疗的一个基础。热疗其实也是很久远的，它这个历史，如果要追溯的话可以到达公元前5000年前，就已经有这种记载。传说中，古希腊有一个名医，他曾经用加温来治疗过肿瘤。当时他有一句格言，就是“药物不能治疗的，可以用手术来治。手术不能治疗的，可以用热疗治。而热疗不能治的，就确实无法治疗了。”当然像今天因为已经有更多新的生物医学技术，已经发展了，所以这个是很绝对。但是热疗的作用现在已经得到人们的重视和应用。
现在肿瘤热疗学基本上是开始于几十年前，由于多学科的介入，人们开始用科学的手段来研究热疗问题，特别是人们发现热疗合并放疗、化疗治疗肿瘤的效果往往是出人意料的。目前，这门学科正在向科学化、规范化和量化方向发展。
热疗有几种情况。第一种情况是体外加热的热疗方式。大家可能都有这个经验，就是微波。微波实际上也是一种体外加热。食物，微波炉它也是利用空间场的效应来对食物进行加热。热疗也有一种就是从体外，利用微波或者超声等等这样一些仪器来进行加热。还有一种就是介入式的热疗，就是把加热探针直接穿刺到体内，进行直接加热。当然还有一种热疗就是全身热疗，我们知道当肿瘤发展到全身的时候，治疗起来是很困难的。像化疗或放疗目前是应用的比较多的。但是这两种方法杀伤性痛苦是比较大，人们也以此发展了全身肿瘤热疗。但目前看来实际上也是存在很多问题的，这个全身肿瘤热疗的一个做法，主要是把人体的血液循环，把人体里边血管（液）分出来，通过一定外界的加热装置，对它进行升温，然后再回送到体内，从而对人体全身各个部位进行加热，来治疗肿瘤。
但是热疗，虽然说它很有用，比如说对简单的这些肿瘤，体表的，其实加热的话很容易杀灭肿瘤的。但是在深部，或者说人体实施起来的话，有时候这个效果，并非是按照人们所预测的那样，实际上它是很复杂的。比如像生物体受到加热的情况下，会出现很多很奇怪的一些现象，目前实际上不是很清楚。比如有一现象，就是活体组织温度的振荡效应。因为对于一般的非生物来讲，如果加热的话，它一个效应就是温度上升，但是对于人体来讲的话，比如说微波的功率不一样的情况下，它可以出现单调上升，然后出现振荡，或者说振荡以后再回复到一个比较平稳的温度范围，或者说这个振荡就一直持续下去。所以这些都是生命体里面所体现出来的一些非常复杂的现象。还有对于人体来讲，这个血流如果升温以后它也是出现很复杂的行为，即使是在正常的静息状态下，人体的体温也是存在各种各样的涨落。就是由于这些复杂现象，所以对于肿瘤的一些机制现在认识得还不是很清楚，肿瘤热疗的机制还不是很清楚，所以这都是工程上需要加以解决的问题。
人们试图来反映血管这种错综复杂的分布情况。其中一种就是用分型理论来描述这个血管。当然现在实际上工程人员已经在大力地对跟热疗有关的基础应用问题进行研究。在狗的前列体上所开展的一些热学研究，有理论的，有实验的。从中可以看到，实际上对于前列腺，因为前列腺跟人类的前列腺癌，是有它的医学应用背景，前列腺癌是一个非常重要的问题，这方面的问题，也需要工程上加以研究。
在肿瘤热疗方面，有一个很重要的问题就是热疗计划，所谓热疗计划就是通过对人体加热，多大的功率，可以导致人体多高温度的，或者人体的热效应是怎么发展的，可以通过一些计算机加以编程来进行预测，以此来提供治疗的一些方案，这就是所谓的热疗计划。目前工程上可以做很多这方面的一些工作。关于高温医学，实际上还包括激光医学，激光医学实际上它也是利用一种激光的热效应来进行医学目的，这方面的应用范围也是非常广泛的。我这儿主要是列出几类应用情况，比如像激光切割，切割组织，激光血管融合技术，包括血管的扩增。关于利用加热来进行医学目的，还有这么一个非常重要的应用，国际上正在尝试的一种做法，就是对眼球来进行有选择性的加热，以此来对它的角膜进行裁型。目前可以用来治疗两类眼的疾病，像近视和锥形角膜，所以这个在眼科上也是有重要应用的。另外当然像激光操作眼球（手术），激光眼外科也是很重要的一个临床部门。
另外就是高温，如果高温高到一定程度，就会发生烧伤，这实际上也是工程和医学同时需要解决的问题。像电烧伤，电烧伤在日常的工作里边实际上是很常见的。在美国的医院里面，人们做过统计，像一般烧伤病人的话，3％是由于电烧伤引起来的。人体一通电，由于不小心、或者由于一些事故，可以导致很快的身体的烧伤。比如手臂抓到电线上，这个电流迅速地流向全身，这个时候一般会发生焦耳加热，比如像电路或者电烙铁，大家可能有这么一个印象，一通电的话，它实际上就会发热，这个热量发到一定程度的时候，实际上会造成烧伤。那么工程上，一般就是通过这些可以对它的电场进行求解计算，以及对温度进行求解计算，来进行烧伤的评价。烧伤的形式当然是很多的，像激光烧伤或者烫伤这都跟生物热学是密切相关的。当激光打进来的激光加到人体生物组织上，会发现刚开始是形成一个小的脱水脐，这个脱水脐不断地长大，当长到一定的情况下，中心会出现一个小的气泡，最后，发展到一定程度，这个气泡会发生长大，最后会发生撕裂，这就是由于加热所引起来的烧伤。
前面讲的主要是常温下的一些生命现象，以及人们如何应用它，还有就是包括用高温来进行医学目的的一些技术，下面我主要想集中介绍一下低温生物医学技术。低温医学的范畴一般可以分做这么几个范围，一个就是低温生理，再有一个就是寒冷损伤，就是冻伤了，再有就是低温外科，还有就是生物材料的冷冻保存。
低温生理所涉及到的一些范围，可以是比如像冷适应，比如极地居民的一些生活状况。像爱斯基摩人，他长期有一个冷适应的情况，像寒冷损伤，这也是涉及到一些冻伤的问题，其实这些问题都是一个相互关联的，冷冻外科主要是涉及到冻结或融化的一些损伤，利用降温和复温来进行肿瘤细胞的杀伤。而生物材料的冷冻保存研究的与冷冻外科正好是相反，一个研究的是破坏，一个研究的是保存，都涉及到细胞组织和器官里面的融化和冻结这么一个复杂的物理化学过程。
低温医学里面主要是分两大块，一般所说的，就是一个是生物材料的低温保存，再有就是低温外科冷冻外科。我先介绍生物材料的低温保存的一些典型应用，一个就是人体细胞和组织的低温保存，以及它的临床应用。刚才讲到的血液的保存等等，这样一些都属于这么一个范畴，另外在农牧业上也是有重要应用的，再有就是最近刚出现的一些组织工程里边也存在低温保存问题，因为利用组织工程的一些手段形成一些器官或组织以后，也存在一个利用低温来加以保存的问题。这幅图反映的是骨髓细胞低温保存的一个医学方面的一些应用，这涉及到放疗和化疗这么一个医学背景，传统放化疗，行使以后会导致正常的人体里面正常的骨髓细胞，骨髓细胞我们知道它是有造血功能的，会导致骨髓细胞和癌细胞同时被杀伤。所以，即使做了放化疗后，病人的康复是一个很重要的问题。由于生物骨髓细胞的低温保存技术提出来以后，人们就有了这么一个尝试，或者说一个应用，就是说在做放化疗之前，可以把骨髓细胞把它提取出来，然后保存在体温环境之下，当做完放化疗之后，再把经过保存的细胞骨髓细胞再回注到人体内，可以加快病人的康复，使他的造血功能很快恢复到正常。再有就是生命个体的低温保存，我们知道现在的生物组织的低温保存已经趋于成熟，但是关于整个生命个体的保存进展实际上是非常缓慢的。目前通过低温所能保存的最发达的多细胞动物个体大概是沙蚕幼虫，这是在美国《科学》杂志上发表的。低温保存，我想就是我们也许可以朝自然界，向大自然来学习。实际上在自然界里面，有很多已经实际上是很成功的低温存活的一些现象，其中一个很重要的就是冬眠现象，我们知道在寒冷的冬季，有的甚至是零下几十度，会发现很多动物可以采用冬眠这么一个行为，来达到顺利越过寒冷的冬季。比如说这些动物，像蛇，青蛙，甚至像狗熊，从小的动物个体，到很庞大的体积很庞大的动物，都存在这么一个冬眠现象，那么人们发现有时候像青蛙挖出来以后，它甚至在零下几十度，全身都冻僵了，但是当它复温以后，仍然可以存活下来，所以这是非常奇妙的一种现象。工程上也许可以利用这种现象，从它的冻结过程也可以看出，它跟一般的这种细胞的冻存，还有生命个体的冻存，也存在一定的差别。我这儿给出的右边两幅图，可以看到上幅图是冬眠动物的细胞的结冰现象，右边这两幅，一个是上图和下图可以看到，下图就是一般细胞的结冰现象，可以看到冰晶的话，已经充斥到整个的细胞里边，上幅图可以看到，冰晶结冰的时候，是围绕着细胞来冻结的，有的甚至没有发展到细胞里边，所以这是它很奇妙的一个现象。再看下一幅图，这是青蛙的一个冻结现象，实际上对于水来讲一冻结的话，整个的区域里面都发生结冰。对于青蛙来讲，往往是从一些不太重要的器官开始结冰，最后围绕重要的心脏部分，把这个心脏包围起来，也许心脏不存在结冰。这都是一些冬眠动物所体现出来的一些很奇妙的现象，也许低温冻存对生命个体也许可以从中得到启示。
所以前面研究的主要是生物材料的保存，主要是研究如何使生物材料得到降温，同时又不受到伤害，这是研究如何保存的问题。下面所介绍的正好是一个相反，就是如何研究通过降温来达到杀伤病灶或者肿瘤细胞。所以，以此也可以看到低温实际上是一个双刃剑，你可以用它来保存生物材料，也可以用它杀灭肿瘤细胞，关键就看你的使用的目的。低温治疗肿瘤它的原理主要是通过冷冻来促使病变组织迅速降温、冻结或复温，从而产生一系列不可逆的损伤，来达到消除病灶的目的。它的优点是在于什么呢，一个就是可以替代手术切除，不用缝合，而且具有麻醉镇痛，它可以麻痹神经、止血。因为它冻结以后可以使出血量减小，而且反应轻。这方面目前实际上国内外都有很多这方面的临床，目前的这个情况就是，低温的应用探索已经被广泛应用到口腔癌、皮肤癌、直肠癌、泌尿系统、包括一些妇科的肿瘤，像神经外科，包括像兽医学，这些都有低温外科的成功应用，比如说像皮肤肿瘤的五年的治愈率大概在90％到98％之间。
前面讲的目前还是基本上可以讲就是浅表的肿瘤比较成功一点，但是最近，在一些深部肿瘤，比如说像肺癌、肝癌、乳腺癌、前列腺癌、包括大脑、脑肿瘤等方面的低温治疗，也报道了一些令人鼓舞的结果。人们实际上渐渐认为，低温外科正成为治疗这种抗药性很大的大块肿瘤的重要方法，因为对大块肿瘤常规的方法可能会存在一定的困难，低温（治疗）提供了一种新的可能途径。美国这方面医疗财政局，甚至宣布从1999年7月1日起，这是据报道，将低温冷冻治疗前列腺，列入它的全民医疗医保公费报销项目。我想前面我基本上就把各个温度范围的一些生命现象，还有它的一些应用情况做了一个简单的介绍，下面我想做一个小结。
我前面所介绍的这些内容，实际上涉及到一个新兴的交叉学科领域，就是所谓的生物热医学工程学，它的内容主要就是把跟温度有关的生命现象加以研究和利用。这门学科它的一个特点是什么，一个就是非常实用，前面我讲的这些都是在医学里面有重要应用的，一系列重要应用的，所以它是非常实用的。另外它是非常交叉的，最简单的一个它必须要跟医学是密切相关的。同时，它跟工程很多的工程学科关系都是相互交叉的，这样它也是非常综合性的一个学科。另外，它当然是非常复杂的，因为涉及到很多方方面面的一些问题，再有就是富有探索性。因为对于整个的生物医学工程领域来讲，生物热医学工程，是一个充满探索性的相对是比较年轻一点的这个学科。另外的话，前沿性，它有很多提出了很多前沿问题，刚才我讲的很多问题实际上是并没有解决的，所以对这些问题的解决需要进一步工作。另外，这门学科非常重要，谢谢大家。
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