细胞低温保存过程中冰晶成核的研究进展

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ ｔｏ ｃｅｌｌ ｃｒｙｏｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｉｃｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ( ＩＩＦ) ꎬ ｗｈｉｃｈ ｃቤተ መጻሕፍቲ ባይዱｎ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｉｃｅ ｎｕ￣
ｃｌｅａｔｉｏｎ. Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗꎬ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｉｃｅ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｕｐｅｒ￣ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｚｏｎｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｐｈｙｓｉｃａｌꎬ ｃｈｅｍｉｃａｌꎬ ａｎｄ ｂｉｏｌｏｇｉ￣
第 ４１ 卷 第 ２ 期
细胞低温保存过程中冰晶成核的研究进展
２０２０ 年 ４ 月
Ｖｏｌ. ４１ꎬ Ｎｏ. ２
Ａｐｒｉｌꎬ ２０２０
文章编号:０２５３－ ４３３９(２０２０) ０２－ ０１５９－ ０８
ｄｏｉ:１０ ３９６９ / ｊ ｉｓｓｎ ０２５３－ ４３３９ ２０２０ ０２ １５９
细胞低温保存过程中冰晶成核的研究进展
ｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｃｅ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｃｒｙｏｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ. Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ
ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ ｃｅｌｌ ｃｒｙｏｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ. Ｔｈｅｎ ｉｔ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈａｔ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｓｈｏｕｌｄ
受损细胞及组织的修复与再生已成为临床医学
面临的巨大难题ꎬ全世界每年有超过 ５０ ０００ 个造血
干细胞和 １００ ８００ 个实体器官移植手术
[１]
ꎬ但由于免
疫排斥反应ꎬ术后病患的痊愈情况并不理想ꎮ 与此同
时ꎬ组织工程和再生医学领域正在迅速发展ꎬ成人干
细胞如间充质干细胞具有自我更新和分化能力ꎬ可发
中图分类号:ＴＢ６１ ＋ １ꎻ Ｒ３１８.５２
文献标识码: Ａ
Ｉｃｅ Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ Ｃｅｌｌ Ｃｒｙｏｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ: Ａ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｊｉａｎｇ Ｐｅｉ１ Ｈｕｏ Ｘｉａｏｙｕｅ１ Ｌｉｕ Ｂａｏｌｉｎ１ Ｌｉｕ Ｗｅｉ１ Ｌｉａｎｇ Ｗｅｉ２
(１. Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂｉｏｔｈｅｒｍａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｙꎬ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｓｈａｎｇｈａｉꎬ ２０００９３ꎬ
基金项目:国家自然科学基金( ５１７７６１３０) 资助项目ꎮ ( Ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｗａｓ
ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ( Ｎｏ.
的生成量及形态不同ꎮ 玻璃化保存是最理想的保存
方式ꎬ细胞的玻璃态固化不会改变细胞的原子或结构
元的位置ꎬ因此并未破坏细胞功能 [３] ꎬ但目前很难达
ｐｒｏｐｅｒｌｙꎬ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ｏｆ ＩＩＦ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ. Ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｃｅ ｓｅｅｄｉｎｇ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｅｌｌ ｃｒｙｏｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｗａｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｃｒｙｏｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎꎻ ｉｎｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｉｃｅ ｄａｍａｇｅꎻ ｉｃｅ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎꎻ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎꎻ ｉｃｅ ｓｅｅｄｉｎｇ
蒋 沛１ 火晓越１ 刘宝林１ 刘 威１ 梁 玮２
(１ 上海理工大学生物系统热科学研究所 上海 ２０００９３ꎻ ２ 上海交通大学医学院附属新华医院 环境
与儿童健康教育部和上海市重点实验室 上海 ２０００９２)
摘 要 细胞低温保存过程中ꎬ胞内冰损伤是其主要损伤因素之一ꎬ这可以通过控制冰晶成核来降低ꎮ 本文总结了物理、化学及
Ｃｈｉｎａꎻ ２. Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｈｉｌｄｒｅｎ′ｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｈｅａｌｔｈꎬ Ｘｉｎｈｕａ Ｈｏｓｐｉｔａｌ
Ａｆｆｉｌｉａｔｅｄ ｔｏ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃｉｎｅꎬ Ｓｈａｎｇｈａｉꎬ ２０００９２ꎬ Ｃｈｉｎａ)
生物控制成核方法在低温保存领域的应用ꎬ归纳了各类控制成核方法的机理及对细胞产生的影响ꎬ对比得出生物及化学试剂控
制成核方法较为优异ꎮ 并提出最佳成核温度的概念ꎬ在该温度下ꎬ胞外冰产生且引导细胞适当脱水ꎬ减少胞内自由水ꎬ降低胞内
冰的产生几率ꎬ为控制成核在细胞低温保存领域的应用指明了方向ꎮ
关键词 低温保存ꎻ胞内冰损伤ꎻ冰晶成核ꎻ抑制成核ꎻ置核
展成特定细胞ꎬ用于修复再生医学中受损的组织和器
官
[２]
ꎬ如能提前提取胚胎干细胞或成人干细胞进行
低温保存ꎬ将解决匹配供体难寻及免疫排斥等问题ꎮ
低温保存细胞时ꎬ降温条件不同ꎬ细胞状态不同ꎬ
如图 １ 所示慢速冷冻保存( 图 １￣Ⅰ ~ 图 １￣Ⅵ) 和玻璃
化保存( 图 １￣Ⅶ) 是低温保存的两种方式ꎬ其胞内冰
ｂｅ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｉｃｅ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ. Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙꎬ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｉｃｅ ｓｅｅｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ. Ａｔ ｔｈｉｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬ
ｉｃｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｒｅ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎꎬ ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｍｉｎｉｍａｌ ｃｅｌｌ ｖｏｌｕｍｅ ｂｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｉｎｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｌｙ ａｃｔｉｖｅ ｗａｔｅｒ