低温冷冻保存的技术研究(二)

三、低温冷冻保存过程中温度对细胞的影响

目前,一般把低温对生物细胞所造成的损伤分为以下六个方向,分别是冷损伤、冷休克、低温损伤、渗透损伤、机械损伤及化学损伤。其中最受学者们关注的就是冷损伤和冷休克。

低温冷冻过程中低温损伤分类

冷损伤是指生物材料(如细胞)在低于正常温度条件下所受到的伤害,它与生物本身的特性、实际的低温温度以及生物材料在低温下所处的时间等有关;

冷休克则是指突然的快速降温对生物材料(如细胞)所造成的损伤,它主要与降温速率有关,而与具体温度关系不大,并被认为主要是由于膜脂的相变所致。

虽然现在还不能确定,胞内冰晶是细胞损伤的原因还是结果,但是细胞损伤确实是与胞内冰晶紧密相关的。

影响胞内冰晶形成的因素很多。有细胞差异性决定的内在因素,有人为可控的外在因素,还有更多未知的潜在因素。目前已知的主要有以下几类:

1. 冷适应 细胞冷适应的能力是随着细胞的不同而存在差异的。实验表明,在相同的降温条件下,冷适应能力强的细胞或者组织比冷适应能力弱的,在胞内冰晶发生的概率上要小得多;

2. 胞外环境 比如胞外溶液等,与冷适应能力不同,这是可以通过人为方式改变并影响的。

不同的胞外冰晶形状会产生不同程度的对细胞的机械作用,从而影响胞内冰晶的成核温度;比如我们之前提到的一些渗透性或非渗透性的冷冻保护剂。但这种保护剂不可过多,因为胞外溶液中的离子浓度的增加会导致跨膜电位的超极化,使得细胞膜不稳定,达到临界值会进而破坏细胞膜,这就是冷冻保护剂所谓的毒性之一。

3. 热过程 改变细胞所经历的冷冻过程中的若干热参数,包括降温速率、终止温度和保持时间等,这些可以显著影响胞内冰晶形成概率。降温速率的快慢,直接决定了胞内冰晶的发生;每个细胞出现胞内冰晶的临界温度是不同的,当终止温度低于这个值时,对于细胞来说是致命的;在快速冷冻前,细胞在胞外冰晶的环境中保持的时间的长短,对于胞内冰晶成核温度有较大的影响 。时间越长,胞内冰晶的数量也会越多。

4. 细胞间相互作用 在冷冻组织的过程中,胞内冰晶形成的概率还受到细胞间相互作用的影响。自1975 年,不断有科学家证实间隙连接能够加强细胞间的冰晶传播。另一方面,即使细胞不存在间隙连接时,仍然存在冰晶传播,这说明除了间隙连接,还有其他未知的因素。正是这些因素,使得组织冷冻的难度远比细胞要大,冷冻损伤机理也更为复杂。更不要提到直接冷冻生物个体的难度了,这是成几何倍数来增长。

其中冷适应跟细胞本身的特性有关外,胞外环境、热过程、和细胞间的互相运动都属于人为可控的过程。因此学者们也对低温冷冻保存过程中的机理展开了一系列的探究。

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