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中科大趙剛團隊系統(tǒng)綜述低溫冷凍保存中的冰晶抑制材料、策略及挑戰(zhàn) ?

來源:泰然健康網(wǎng) 時間:2024年12月01日 04:28
溫度的降低可有效減緩生物體內(nèi)生化反應(yīng),其也是實現(xiàn)活細胞、組織、器官乃至整個生命體長期保存的理論基礎(chǔ)。低溫保存已成為包括細胞治療、生物樣本庫、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)溫融解過程中無法完全避免冰晶的形成與生長對樣品造成的損傷,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。如何實現(xiàn)對低溫保存過程中冰晶形成及其生長的有效抑制,降低其對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)注的熱點問題。近日,中國科學(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程抑冰問題的材料學(xué)和工程學(xué)策略,并對相關(guān)核心技術(shù)的突破面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題及其挑戰(zhàn)進行了前瞻性探討。近年來,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、工程與結(jié)構(gòu)仿生、多物理場協(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,并重點強調(diào)在低溫保存的降復(fù)溫過程中由于冰晶的形成與生長對冷凍保存樣品所帶來的損傷。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,這種方式會促使降溫過程冰晶形成對保存樣品造成機械損傷,此外復(fù)溫過程冰晶再結(jié)晶也會對保存樣品產(chǎn)生破壞;另外一種保存方式是玻璃化保存方法,利用高濃度的保護劑 (cryoprotectants,CPA) 以及超快速降溫冷凍可以促使溶液在降溫過程中形成玻璃態(tài),避免降溫過程中冰晶形成,但是含有高濃度的化學(xué)保護劑的溶液會在復(fù)溫過程不可避免的發(fā)生反玻璃化,進而對樣品造成致命的損傷??梢钥闯?,無論是在降溫還是復(fù)溫過程,胞內(nèi)冰與胞外冰的形成與生長是造成保存樣品損傷的關(guān)鍵因素,因此亟需降低冰晶對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. 低溫保存的基本過程以及冰晶損傷機制;B. 依賴于冷凍速率的損傷;C. 不同冷凍速率下的細胞體積響應(yīng);D. 降復(fù)溫過程中的冰晶損傷;E. 胞外冰與胞內(nèi)冰實物圖。針對冰晶抑制材料方面,作者首次提出化學(xué)抑冰分子的概念,研究人員首先重點總結(jié)分析了當(dāng)前抑制冰晶形成與生長的材料,特別分析了其限制冰晶的內(nèi)在分子機制,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在低溫保存中的應(yīng)用,包括胞內(nèi)遞送、細胞封裝以及仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對胞內(nèi)遞送,作者重點探討了多種響應(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,例如離心微流控技術(shù)、靜電噴霧等,設(shè)計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,防止冰晶延伸至細胞內(nèi)部,提高其保存效率;此外,受大自然獨特的結(jié)構(gòu)啟發(fā),研究人員從仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(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),例如卵細胞獨特的透明帶結(jié)構(gòu),植物細胞的細胞壁結(jié)構(gòu)等。這些獨特的結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用在低溫保存過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、生長以及去除的外部物理場技術(shù),主要包括磁場、光場、電場以及聲場,并強調(diào)其限制冰晶的內(nèi)在分子機制以及在生物樣品低溫保存中的潛在應(yīng)用。作者重點探討了磁場在降復(fù)溫過程用于低溫保存的冰晶抑制,特別注意的是,作者課題組2016年率先在國際上開展了用于細胞保存的電磁復(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程最后針對當(dāng)前基于冰晶抑制促進低溫冷凍保存技術(shù)存在的關(guān)鍵問題以及挑戰(zhàn)進行了深入探討與分析,作者認為如何借助仿生學(xué)手段,設(shè)計出綠色、無毒的抑冰保護劑對于促進低溫保存至關(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,會為限制降復(fù)溫過程冰晶形成與生長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程中的冰晶損傷問題仍是低溫保存所面臨的重要挑戰(zhàn),認為多物理場協(xié)同技術(shù)或許會為大尺度器官的深低溫保存提供潛在的解決方案。中國科學(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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