溫度的降低可有效減緩生物體內(nèi)生化反應(yīng)，其也是實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞、組織、器官乃至整個(gè)生命體長(zhǎng)期保存的理論基礎(chǔ)。低溫保存已成為包括細(xì)胞治療、生物樣本庫(kù)、組織工程與再生醫(yī)學(xué)、生殖醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域不可缺少的支架工程。
但目前常用的低溫冷凍保存方法，在降溫冷凍與復(fù)溫融解過(guò)程中無(wú)法完全避免冰晶的形成與生長(zhǎng)對(duì)樣品造成的損傷，這已成為制約樣品低溫保存效率與質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫保存過(guò)程中冰晶形成及其生長(zhǎng)的有效抑制，降低其對(duì)待保存樣品造成的損傷，是包括低溫生物學(xué)在內(nèi)的諸多學(xué)科共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息學(xué)院 趙剛 教授課題組在 Advanced Science 上發(fā)表了題為： Ice Inhibition for Cryopreservation: Materials, Strategies, and Challenges  的綜述論文。該論文從多學(xué)科交叉融合角度，系統(tǒng)綜述了解決低溫冷凍保存過(guò)程抑冰問(wèn)題的材料學(xué)和工程學(xué)策略，并對(duì)相關(guān)核心技術(shù)的突破面臨的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及其挑戰(zhàn)進(jìn)行了前瞻性探討。近年來(lái)，隨著化學(xué)、材料、工程和生命等多學(xué)科的蓬勃發(fā)展和交叉共融，冰晶抑制的方法和策略層出不窮?；诖?，研究人員首次從分子材料遴選與設(shè)計(jì)、工程與結(jié)構(gòu)仿生、多物理場(chǎng)協(xié)同調(diào)控相結(jié)合的角度，全方位、多層次地概述了冰晶抑制的方法和策略，對(duì)現(xiàn)代低溫生物學(xué)的發(fā)展，特別是生命材料的深低溫冷凍保存技術(shù)的革新具有重要的指導(dǎo)意義。圖1. 抑制冰晶而促進(jìn)低溫保存的材料和策略該綜述首先介紹低溫保存的基本背景與意義，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)在低溫保存的降復(fù)溫過(guò)程中由于冰晶的形成與生長(zhǎng)對(duì)冷凍保存樣品所帶來(lái)的損傷。當(dāng)前的低溫冷凍保存主要有兩種方式：一種慢速冷凍方式，這種方式會(huì)促使降溫過(guò)程冰晶形成對(duì)保存樣品造成機(jī)械損傷，此外復(fù)溫過(guò)程冰晶再結(jié)晶也會(huì)對(duì)保存樣品產(chǎn)生破壞；另外一種保存方式是玻璃化保存方法，利用高濃度的保護(hù)劑 （cryoprotectants，CPA） 以及超快速降溫冷凍可以促使溶液在降溫過(guò)程中形成玻璃態(tài)，避免降溫過(guò)程中冰晶形成，但是含有高濃度的化學(xué)保護(hù)劑的溶液會(huì)在復(fù)溫過(guò)程不可避免的發(fā)生反玻璃化，進(jìn)而對(duì)樣品造成致命的損傷?？梢钥闯?，無(wú)論是在降溫還是復(fù)溫過(guò)程，胞內(nèi)冰與胞外冰的形成與生長(zhǎng)是造成保存樣品損傷的關(guān)鍵因素，因此亟需降低冰晶對(duì)保存樣品的損傷從而提升冷凍保存質(zhì)量與效率。、 圖2. 低溫保存基本流程. A. 低溫保存的基本過(guò)程以及冰晶損傷機(jī)制；B. 依賴于冷凍速率的損傷；C. 不同冷凍速率下的細(xì)胞體積響應(yīng)；D. 降復(fù)溫過(guò)程中的冰晶損傷；E. 胞外冰與胞內(nèi)冰實(shí)物圖。針對(duì)冰晶抑制材料方面，作者首次提出化學(xué)抑冰分子的概念，研究人員首先重點(diǎn)總結(jié)分析了當(dāng)前抑制冰晶形成與生長(zhǎng)的材料，特別分析了其限制冰晶的內(nèi)在分子機(jī)制，以及其在低溫保存中的應(yīng)用。冰晶抑制材料主要包括保護(hù)劑、抗凍 （糖） 蛋白、納米材料、合成聚合物以及水凝膠等。圖3. 用于抑制冰晶材料的發(fā)展歷程然后總結(jié)了用于冰晶抑制的多種工程化策略以及它們?cè)诘蜏乇４嬷械膽?yīng)用，包括胞內(nèi)遞送、細(xì)胞封裝以及仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)胞內(nèi)遞送，作者重點(diǎn)探討了多種響應(yīng)性納米材料封裝海藻糖用于胞內(nèi)遞送，降低胞內(nèi)冰損傷；以及研究人員基于多種封裝方式以及裝置設(shè)計(jì)，例如離心微流控技術(shù)、靜電噴霧等，設(shè)計(jì)出多種微膠囊以及微纖維結(jié)構(gòu)，可以大大降低胞外冰晶損傷，防止冰晶延伸至細(xì)胞內(nèi)部，提高其保存效率；此外，受大自然獨(dú)特的結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究人員從仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，總結(jié)了當(dāng)前可以用于防止冰晶損傷的多種仿生結(jié)構(gòu)，例如卵細(xì)胞獨(dú)特的透明帶結(jié)構(gòu)，植物細(xì)胞的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)等。這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用在低溫保存過(guò)程中防止保存樣品受到冰晶損傷。圖4. 響應(yīng)納米材料微封裝海藻糖用于胞內(nèi)遞送。A：PH響應(yīng)材料封裝海藻糖；B：不同添加下的細(xì)胞保存效率；C：海藻糖胞內(nèi)遞送示意圖；D：冷響應(yīng)納米材料封裝海藻糖的保存效率；E：胞內(nèi)遞送海藻糖保存胰島細(xì)胞用于糖尿病治療。此外，研究人員系統(tǒng)地探討了用于調(diào)控冰晶成核、生長(zhǎng)以及去除的外部物理場(chǎng)技術(shù)，主要包括磁場(chǎng)、光場(chǎng)、電場(chǎng)以及聲場(chǎng)，并強(qiáng)調(diào)其限制冰晶的內(nèi)在分子機(jī)制以及在生物樣品低溫保存中的潛在應(yīng)用。作者重點(diǎn)探討了磁場(chǎng)在降復(fù)溫過(guò)程用于低溫保存的冰晶抑制，特別注意的是，作者課題組2016年率先在國(guó)際上開(kāi)展了用于細(xì)胞保存的電磁復(fù)溫技術(shù)，目前電磁復(fù)溫技術(shù)在大尺度組織以及器官保存已經(jīng)被寄予厚望。圖5. 基于電磁復(fù)溫技術(shù)用于低溫保存的重要進(jìn)程最后針對(duì)當(dāng)前基于冰晶抑制促進(jìn)低溫冷凍保存技術(shù)存在的關(guān)鍵問(wèn)題以及挑戰(zhàn)進(jìn)行了深入探討與分析，作者認(rèn)為如何借助仿生學(xué)手段，設(shè)計(jì)出綠色、無(wú)毒的抑冰保護(hù)劑對(duì)于促進(jìn)低溫保存至關(guān)重要。此外，隨著多學(xué)科的交叉發(fā)展，多種工程化策略以及裝置的設(shè)計(jì)，會(huì)為限制降復(fù)溫過(guò)程冰晶形成與生長(zhǎng)提供新的思路與方法。最后，作者提出當(dāng)前如何突破大尺度器官與組織保存過(guò)程中的冰晶損傷問(wèn)題仍是低溫保存所面臨的重要挑戰(zhàn)，認(rèn)為多物理場(chǎng)協(xié)同技術(shù)或許會(huì)為大尺度器官的深低溫保存提供潛在的解決方案。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息學(xué)院碩士研究生常鐵為該文章的第一作者；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息學(xué)院趙剛教授為該文章的通訊作者。論文鏈接： https://doi.org/10.1002/advs.202002425

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網(wǎng)址: 中科大趙剛團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)綜述低溫冷凍保存中的冰晶抑制材料、策略及挑戰(zhàn) ? http://www.u1s5d6.cn/newsview176737.html