作者：Sukanya Charuchandra
尽管冷水疗法在恢复身体机能、提升运动表现和促进整体健康方面日益受到关注，但目前关于冷应激对人体影响的研究仍较为有限。
虽然已有研究表明，在提高耐寒能力的过程中会发生多种生理变化，但其在细胞层面的具体影响仍不清楚，此前也缺乏针对人类的相关研究。渥太华大学的研究团队通过实验，探讨了为期一周的冷水暴露是否能够增强人体的细胞防御能力，并评估了该方法对参与极端温度耐受与适应的细胞机制所产生的影响。
“我们的身体不仅由器官构成，也由细胞组成。因此，通过观察细胞内部的变化，我们能够更深入地理解整个身体是如何进行内部沟通的，以及在受到刺激时的整体健康状态。”渥太华大学博士后研究员、该论文的第一作者Kelli King 表示。“如果细胞状态不佳，整体健康也就无从谈起。”
细胞在寒冷环境下会发生什么？
当无法实现冷适应，且身体难以维持核心温度时，可能引发广泛的细胞损伤，甚至导致细胞死亡。不过，以往的动物研究发现，当生物体暴露于极寒环境时，细胞内部会启动一系列保护机制，以避免细胞死亡。其中一种关键的细胞防御机制被称为自噬，能够帮助身体分解有毒的蛋白质聚集体以及其他受损的细胞成分。这些被分解的物质随后会被重新转化为可再利用的分子，从而帮助细胞在压力条件下维持生存。
King及其研究团队希望了解自噬反应在寒冷暴露过程中的变化机制，并探讨其是否可以作为衡量人体耐寒能力提升的一个指标。在研究的第一阶段，研究团队招募了10名年轻、健康且身体活跃的男性，要求他们连续七天、每天在14°C的冷水中浸泡至肩部，持续一小时。当受试者的核心体温降至35.5°C——比正常体温低1.5°C时，研究人员采集了他们的血液样本，并检测其中与自噬或细胞死亡相关的各项指标。
结果发现，一种名为乳酸的分子在整个实验期间呈现出明显变化。乳酸是人体在运动或寒战等情况下自然产生的酸性物质。在第1天、第4天和第7天的冷水浸泡过程中，血液中的乳酸水平均有所上升。但到了第7天，冷刺激后乳酸升高的幅度已显著低于第1天，表明身体随着时间推移逐渐对寒冷产生了适应。
King解释道：“乳酸水平的下降基本说明他们正在适应寒冷。而颤抖的减少也从侧面印证了这一点，我们将其作为适应性的另一个参考指标。”除了乳酸，研究团队还分析了外周血单个核细胞中多种蛋白质的变化。这类细胞属于白细胞的一种。“我们选择这种细胞作为全身反应的代表，”King表示，“因为它们存在于血液中，能够与全身各个器官和组织相互作用。”
通过观察这些血细胞中特定蛋白质的改变，研究人员得以判断寒冷刺激是否激发了全身性的自噬反应。自噬过程涉及数百种蛋白质协同工作，如同一支“清理小队”。研究团队重点聚焦其中两种对自噬启动和持续至关重要的蛋白质，它们可作为自噬活动的关键标志。
其一是LC3-II蛋白，它嵌入自噬体的膜结构中。自噬体是细胞内类似气泡的结构，标志着自噬回收过程的开始。另一个关键标志物是P62蛋白，它的作用是将受损的细胞物质定向运送至自噬体，以便进一步降解和再利用。
细胞过程随时间推移发生转变
在为期七天的实验过程中，研究人员发现细胞优先进行的生理活动发生了明显转变。随着细胞凋亡，即程序性细胞死亡逐渐减弱，自噬反应则逐步增强并成为主导过程。这意味着细胞更倾向于修复和再利用自身组分，而不是走向死亡。
随后，研究团队在体外测试了极端低温对血液细胞的影响。这种方法使他们能够在不危及受试者安全的前提下，深入探究极寒条件下细胞可能发生的变化。King表示：“出于伦理考虑，我们无法让人体直接暴露在可能造成伤害的低温环境中。而采用体外实验，我们就能模拟体内可能发生的生理反应，同时避免给参与者带来任何额外风险。”
在这些实验中，研究人员将从血液样本中分离出的外周血单个核细胞分别置于37°C、35°C、33°C、31°C以及4°C的环境中，模拟不同程度的低温刺激。随后，他们检测了多种与自噬及其他冷应激反应相关的蛋白质水平。结果显示，这些细胞在面对低温时表现出与体内相似的应激反应模式。
未来将收集更多数据
科学家表示，他们正致力于为后续研究奠定基础，以更深入地探索不同性别和年龄群体在寒冷适应方面的差异。现有证据表明，女性和年长者在经历和应对寒冷暴露时，其反应模式与年轻男性存在明显不同。例如，仅从生理层面来看，女性在寒冷环境中通常比男性更少出现寒战。
King早期关于女性自噬机制的研究发现，雌激素可能发挥细胞保护作用，甚至在某些情况下会抑制自噬过程。由于雌激素与自噬之间存在这种特殊的关联，女性在发展寒冷耐受能力方面可能遵循与男性略有不同的路径。“因此，在我们真正将这些发现应用于寒冷适应等实际场景之前，还需要完成大量基础性的探索工作。”King补充道。
同样值得注意的是，自噬功能在老年阶段往往有所减弱，使得老年人面对温度变化等应激刺激时更加脆弱，也更容易发生细胞损伤。在早期实验中，King发现老年男性不仅对寒冷更为敏感，而且在通过自噬机制实现寒冷适应方面也表现出更弱的潜力。
相比之下，在本次研究的年轻健康男性群体中，研究人员观察到了冷耐受性的明显提升，具体表现为自噬活动的增强以及细胞死亡信号的减少。例如，到第七天适应期结束时，有参与者在冷水浸泡中达到临界体温（35.5°C）所需时间已延长至55分钟，而第一天仅为40分钟。体温下降速度的减缓，加上寒战频率的降低，表明身体已逐渐学会更有效地保存热量，实现了生理上的适应。
尽管寒冷习服和增强的自噬反应可能带来一定健康益处，但极端低温暴露以及低体温症的风险依然不容忽视，仍构成严重的健康威胁。要真正理解自噬在冷适应中的作用，以及寒冷暴露是否具有潜在健康价值，还有大量科学问题亟待解答。
目前，研究人员的目标是明确这一细胞过程是否可以被调控，以及如何调控才能为人体带来实际益处。这项研究正是朝这一方向迈出的重要一步。至于自噬调节能力较弱的人群——如老年个体或慢性病患者——是否也能从中获益，以及如何安全有效地实现这种获益，仍有待未来进一步探索。
Advanced Biology
Advanced Biology 是Wiley旗下Advanced 系列期刊之一。Advanced系列是Wiley倾力打造的自主旗舰品牌，涵盖了各学科领域的优秀期刊，如综合类期刊Advanced Science（IF: 14.1）和材料科学期刊Advanced Materials (IF:26.8)等。作为Advanced系列的第一本生命科学类期刊，Advanced Biology （IF:2.6）创刊于2017年，旨在成为生命科学领域具有国际影响力的原创成果发表平台，涵盖从分子到整个生命体以及更高尺度的生命科学研究。期刊致力于报道重要新颖具有广泛生物学意义的基础及应用研究，包括但不限于以下领域：细胞与分子生物学、系统生物学、合成生物学、组织工程与再生医药、生物技术与生物工程、免疫学、微生物学、结构生物学、神经生物学、癌症研究、发育生物学、遗传学与表观遗传学、生态系统与进化生物学等。作为Hybrid期刊，Advanced Biology 为作者提供Gold Open Access发表选项
参考文献：
Kelli E. King, et al, The Effect of 7-Day Cold Water Acclimation on Autophagic and Apoptotic Responses in Young Males, Advanced Biology (2024). DOI: 10.1002/adbi.202400111
*封图来源：Mika Ruusunen on Unsplash
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