TCB7-1+低温生物学技术

低温生物学技术Cryopreservation Techniques

The healthy baby boy, from 21-year-old sperm, is thought to be the world’s first instance of long-term freezing ending in a live birth.

Dr. Elizabeth Pease, a consultant in reproductive medicine at the Manchester hospital, said the development is "important because we believe this is the longest period of sperm cryopreservation resulting in a live birth so far reported in the

scientific literature".

Stem cell cryopreservation

第一节低温生物学

⏹低温生物学（Cryobiology）是探索在低温条件下生命现象特征、规律以及生物体保存的一门科学，是随着生物学、物理学和工程技术的深入发展和其间的相互渗透而产生的一门新兴的边缘学科。

⏹目前，这门学科的主要研究对象是生命的低温保存与延续。

⏹低温指的是冰点以下，低温生命冻存是指在-80 ºC （干冰温度）～-196 ºC（液氮温度）下保存生命的结构。

⏹低温生物学的发展，大约可追溯到1949年Polge成功地用低温保存了精子。

⏹六十年代初Mazar建立了低温生物研究模型和低温

生物学会。

⏹七十年代以来物理学和工程专业人员开始进入低温生物学领域，大大加速了这门学科的发展。

⏹低温生物学在医学、生物学、优生学、农林牧渔业、商业、国防、空间利用、极地开发、高山考察以及稀有动物、植物良种的保存和繁衍等领域中，均有重要而广泛的意义。

低温生物学研究的主要内容

1. 低温医学中冷损伤，冷冻治癌，移植器官，骨髓、组织和细胞的低温保存，低温优生和计划生育技术以及低温技术在医学其它方面的应用。

2. 低温在良种家畜，珍稀动、植物，种子繁衍和优生、优选方面的研究和应用。

3. 食品保鲜和冷藏。

4. 冬眠和整体生命的低温保存与延续。

5. 低温在军事、空间和南、北极地开发方面的研究。

6. 低温生物工程和仪器的研制与创新。

Major areas of study in cryobiology At least 6 major areas of study in cryobiology can be identified:

⏹Study of cold-adaptation of microorganisms, plants(= cold hardiness耐寒

力), invertebrates, and animals(= hibernation冬眠).

⏹Cryopreservation of cells, tissues, gametes, and embryos of animal and

human origin for (medical) purposes of long-term storage. This usually requires the addition of substances which protect the cells during freezing and thawing (cryoprotectants冷冻保护剂).

⏹Preservation of organs under hypothermic conditions for transplantation.

⏹Lyophilization (freeze-drying) of pharmaceuticals.

⏹Cryosurgery, a (minimally) invasive approach for the destruction of

unhealthy tissue using cryogenic gases/fluids.

⏹Physics of supercooling, ice nucleation/growth and mechanical engineering

aspects of heat transfer during cooling and warming.

概括起来，低温生物学技术主要是生物样品的低温保存，低温下细胞生物特性的基础研究，以及低温生物工程技术和仪器的开发研制。

第二节低温生物学技术

一、低温生物学技术中的几个关键问题

（一）低温损伤的机制

多年来人们一直注意和利用低温生物学中的两个对立现象。在某些条件下低温可产生严重损伤、杀死生物，而在另一些条件下低温又可长期保存生物，不致于死亡。

前者发展成为低温外科以杀灭癌细胞等，后者则发展成为一系列低温冻存技术。无论发展低温生物学技术的哪一方面，都首先面对着低温如何损伤、杀死细胞这一问题。

对低温损伤机制的研究工作不少，但难度大、涉及面广，目前尚无一致见解。低温损伤不仅取决于温度，而且还取决于降温和复温的速度与条件以及生物样品的种类。

在冰点以下降温和复温过程中总会发生结冰、融冰，胞内外溶液浓缩或稀释，水通过胞膜向胞内或胞外渗透等现象，在某些情况下还会出现冰的再结晶，这些都和细胞直接损伤相关。

最新实验表明，快速急冻过程中胞内冰晶虽然有害，若复温适当细胞尚能存活，但是复温中胞内的重结晶却是致命的。

此外尚有许多种损伤机制的学说：如冷冻使电解质和溶质的浓度升高，形成“溶质损伤”而损伤细胞器和线粒体膜；冷冻使细胞的所有结构和大分子失去结构水而致死；以及“双重因素”即胞内冰晶的形成和溶质损伤共同决定冻存细胞的存活等假说。

a b c

细胞外冰晶形成: a 正常细胞；

b 细胞外冰晶形成；

c 细胞

外呈高渗，细胞脱水

细胞内冰晶形成: a 正常细

a b c

胞；b 细胞内冰晶形成；

c 细胞内结冰，细胞死亡