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來(lái)源：Cell Regen編輯部
低溫保存（cryopreservation）是生物樣本的主要保存方式，其已被廣泛應(yīng)用于活細(xì)胞、組織、活細(xì)胞構(gòu)建物或培養(yǎng)物（組織工程化組織、類器官、器官芯片等）的長(zhǎng)期高質(zhì)量保存。隨著再生醫(yī)學(xué)、組織工程和細(xì)胞治療等諸多領(lǐng)域的飛速發(fā)展，高效、低成本的低溫保存技術(shù)愈發(fā)重要。
低溫保存效果受到諸多復(fù)雜因素影響，也與樣品本身和外界調(diào)控密切相關(guān)。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)趙剛課題組在Cell Regeneration上發(fā)表了題為“Advanced cryopreservation engineering strategies: the critical step to utilize stem cell products”的綜述文章。該文較為全面地回顧了細(xì)胞低溫保存的背景和原理，綜括了細(xì)胞低溫保存常用的工程技術(shù)手段，包括光熱、磁熱和微封裝等，并提出了協(xié)同抑冰策略。此外，該文還較為完整地總結(jié)了干細(xì)胞低溫保存的現(xiàn)狀，指出了在當(dāng)前飛速發(fā)展的學(xué)科交叉融合的大背景下，干細(xì)胞高效低溫保存所面臨的挑戰(zhàn)、機(jī)遇和前景。
低溫保存是利用極低的溫度（-80℃或-196℃）實(shí)現(xiàn)細(xì)胞、組織、器官和其他生物材料長(zhǎng)期保存的一項(xiàng)重要技術(shù)。在低溫條件下，活細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)和生物反應(yīng)顯著減少，甚至停止，這是實(shí)現(xiàn)各種生物樣本長(zhǎng)期保存的根本機(jī)制。
生物樣本在復(fù)溫過程中，熱應(yīng)力損傷和冰晶損傷往往是致命的，這在大尺度樣本保存中尤為明顯?；谕獠课锢韴?chǎng)的光熱復(fù)溫（photothermal rewarming）與電磁復(fù)溫（electromagnetic rewarming）技術(shù)在抑制復(fù)溫過程中的冰晶生長(zhǎng)和消除熱應(yīng)力方面取得了巨大的進(jìn)展。納米顆粒具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能，與近紅外光相結(jié)合能夠提供超快速加熱平臺(tái)，在毫米級(jí)低溫保存復(fù)溫過程中有效抑制再結(jié)晶和反玻璃化，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和斑馬魚胚胎的高效保存。Fe3O4等磁性氧化鐵納米顆?？梢钥焖賹⑼獠看拍苻D(zhuǎn)化為熱能，趙剛課題組在國(guó)際上首次將磁性納米顆粒引入低溫保存并取得了顯著成效：對(duì)于小尺度的生物樣品如細(xì)胞和組織，于保護(hù)劑中添加納米顆粒，在磁場(chǎng)作用下升溫速率提高，能夠抑制再結(jié)晶與反玻璃化；對(duì)于器官等大尺度樣本，通過灌流等手段將納米顆粒均勻分布在樣本內(nèi)部，通過磁場(chǎng)加熱實(shí)現(xiàn)均勻快速?gòu)?fù)溫，可以有效抑制熱應(yīng)力損失和冰晶損傷。電磁復(fù)溫是低溫保存的有效策略，具有保存多種尺度生物樣品的潛力。
低溫保存生物樣本的電磁復(fù)溫
近年來(lái)，各種先進(jìn)的水凝膠微膠囊技術(shù)不斷涌現(xiàn)。文章重點(diǎn)介紹了常用的細(xì)胞微封裝方法，包括傳統(tǒng)微流控（conventional microfluidics）、靜電噴霧（electrostatic spraying）和離心微流控（centrifugal microfluidics）。通過調(diào)節(jié)不同的參數(shù)，可以得到所需的微膠囊或纖維。微封裝可作為基礎(chǔ)技術(shù)與其他抑冰技術(shù)聯(lián)合使用，起到多重抑冰的效果。
活細(xì)胞的微封裝／膠囊化（活細(xì)胞構(gòu)建物）
基于此，我們提出了協(xié)同抑冰的工程策略，即將兩種或多種先進(jìn)的工程技術(shù)有效融入低溫保存領(lǐng)域，在降溫和復(fù)溫的過程中協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)生物樣本的高質(zhì)量保存。例如我們將微封裝、光熱復(fù)溫和磁熱復(fù)溫技術(shù)聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)了胰島細(xì)胞、干細(xì)胞和小鼠卵泡的高活力保存，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
協(xié)同抑冰
綜上所述，文章討論了細(xì)胞冷凍保存和復(fù)溫過程中的主要冷凍損傷機(jī)制，并介紹了一系列先進(jìn)的工程抑冰技術(shù)，包括光熱、磁熱復(fù)溫、細(xì)胞封裝和協(xié)同抑冰。這些工程策略在干細(xì)胞冷凍保存方面具有多種優(yōu)勢(shì)，其中水凝膠封裝在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，裝載干細(xì)胞的水凝膠支架在細(xì)胞治療、組織工程和再生醫(yī)學(xué)中已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。此外，對(duì)于低溫保存的大體積水凝膠干細(xì)胞產(chǎn)品，結(jié)合電磁復(fù)溫可以進(jìn)一步提高存活率。鑒于干細(xì)胞在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中不可替代的特性，相信先進(jìn)的干細(xì)胞冷凍保存工程策略將緊跟需求，為再生醫(yī)學(xué)帶來(lái)蓬勃發(fā)展的未來(lái)。