海藻糖在血细胞冻干保存中的应用

海藻糖在血细胞冻干保存中的应用

石　釧1,韩俊领1,2

(1.协和干细胞基因工程有限公司,天津300384; 2.中国医学科学院、北京协和医学院,血液学研究所,血液病医院,天津300020)

中图分类号:R457.1 文献标识码:A 文章编号:100622084(2008)1922908204

摘要:海藻糖是目前血细胞冻干保存中最常用的保护剂,作为一种稳定的非还原性双糖,它在细胞冷冻、干燥、冻干过程中对细胞活性有着良好的保护作用并显露出在血细胞冻干保存中的广阔应用前景。本文主要就冻干对血细胞损伤机理,海藻糖对血细胞冻干过程中的保护机制及海藻糖在血细胞冻干保存中的研究现状进行综述。

关键词:海藻糖;冻干保存;血细胞

Appli ca ti on of Treha lose i n L yoph ili za ti on of Blood Cells　SH I Chuan1,HAN Jun2L ing1,2.(1.U2 nion S te m Cell&Gene Engineering L i m ited Co m pany,Tianjin300384,China;2.Institute of He m atolo2 gy and B lood D isease Hospital,Peking U nion M edical College,Chinese A cade m y of M edical Sciences, Tianjin300020,China)

Abstract:Trehal ose is regarded t o be a p referred p r otectant for lyophilizati on of bl ood cells.Treha2 l ose,as a nonreducing disaccharide,p lays a r ole in p r otecti on of the cyt oactivity when the cells is freez2 ing,drying or lyop ilizati on,and shows br oad app licati on p r os pect on lyophilizati on of bl ood cells.This paper revie wed the da maged effect of lyophilizati on on bl ood cells,the mechanis m of trehal ose p r otec2 ti on and the experi m ental studies on trehal ose.

Key words:Trehal ose;Lyophilizati on;B l ood cells

目前,红细胞、血小板和造血干细胞的保存仍主

要采用常温下短期保存和深低温下长期保存两种方

法。均存在需要笨重存储设备、保存费用昂贵、运输

不便等限制,远远不能满足临床应用。由于冻干血

细胞能在常温下保存,保存时间长,性能比较稳定,

输注方便,保存费用低廉,便于运输等优点,尤其能

够满足战时需要,血细胞的冻干保存已成研究热点。

血细胞的冷冻干燥过程一般包含预冻、初级干燥、次

级干燥3个步骤。在此过程中,细胞的生存条件、物

理状态均发生变化,构成细胞的膜蛋白及磷脂存在

一定程度的变性,影响细胞器的功能活动,细胞的生

活力下降。如何最大限度的抑制细胞成分的变性,

保持细胞原有的活力,一直是血细胞冻干保存研究

的重点。海藻糖是一种非还原性双糖,在自然界广

泛存在,由于其具有在脱水、干旱、高温、冷冻及高渗

透压等严酷环境条件下保护生物体的组织和大分子

的功能,引起了人们的广泛关注[1,2]。近年研究显

示,海藻糖是低温生物领域最佳的保护剂。现就海

藻糖在血细胞冻干保存中的作用机制及应用现状综

述如下。

1　冷冻干燥对血细胞的损伤机制

在液体冷冻保存中时,血细胞冷冻过程的损伤

主要是由机械效应和溶质效应引起。血细胞在预冻

过程中,当细胞外溶液的温度降到其平衡冻结点以

下并达到一定的过冷度后,细胞外溶液首先结晶,水

的冻结使细胞间隙内的液体逐渐浓缩,电解质浓度显著增加,渗透压增高,pH值改变。如果冷却速度较慢,细胞会因为长时间暴露于高浓度的溶液中而产生蛋白质变性和脱水性死亡,这就是所谓的溶质效应;当细胞内的水分结冰时,体积膨大,细胞内冰晶对细胞膜和细胞器膜就产生机械剪切破坏,谓之机械效应。一般认为,冷却速率越快,机械损伤就越大。

血细胞干燥过程的损伤主要是膜的融合以及脂质的相转

变。在正常的生理环境下,细胞膜中磷脂的极性基团通过与水分子的结合而在空间上相互隔开,当水分子被除去后,极性基团的聚合密度增大,产生分子间的强相互作用,它们用极性基团间的氢键结合来弥补损失的与水分子的氢键结合,导致细胞膜大片融合、破损,内容物外溢[3];其次,血细胞在冻干过程中,细胞膜、细胞器膜经历液相向固相的相变过程,即膜脂质的物理状态的改变,磷脂双层除去氢键键合的水,将使丙烯酰基拉近,增加范德华力,结果脂类可以从液晶态转变成凝胶态[4]。当再水化时,在室温为凝胶态的干膜又转变成液晶态,造成膜通透性增加[5]。

2　海藻糖的生物学特性及其在冻干保存中的作用机制

2.1　海藻糖的生物学特性　海藻糖具有特有的物理和化学性质,这些特有的性质包括:①特强水合能力。Kawai等[6]研究显示,以每个葡萄糖单位周围的不冻水分子数计算,海藻糖的不冻水分子是糖类最多的。Magazù等[7]比较了海藻糖/水和蔗糖/水在玻璃化相转变附近的振动性质,认为海藻糖抗冷冻脱水的能力更强。②独特的玻璃化转变及晶型转变特性。海藻糖的玻璃化相变温度(Tg)是120℃,远高于其他双糖体系。高的Tg可使样本在干燥时及以后的保存中有更高的稳定性[8]。此外,高浓度的海藻糖溶液比其他糖类更不容易形成冰晶。Sussich等[9]研究发现,细菌脱水时获得的休眠状态不仅与海藻