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研究人员针对生物样本低温保存的高成本等问题，开展诱导细胞和配子干燥休眠研究，使精子干燥储存接近实用，意义重大。
一、研究背景
在生物医学领域，生物样本的储存就像一把 “生命钥匙”，为无数科研项目和医疗应用开启大门。生物样本库（Biobanks）储存着大量生物样本，涵盖细胞、配子、胚胎等多种类型，在生命科学、临床研究以及医学等诸多领域发挥着不可替代的作用。然而，当前生物样本储存的 “黄金标准”—— 低温液氮（LN2）冷冻保存技术，却逐渐暴露出诸多问题。
一方面，液氮储存成本高昂。维持液氮的持续供应需要专门的设施、设备以及专业人员，这使得生物样本库的运营成本直线上升。2023 年全球LN2市场规模已达 194 亿美元，预计到 2032 年还将进一步增长至 309 亿美元。如此巨大的开支，让许多生物样本库不堪重负。另一方面，低温冷冻过程可能会对细胞和生物样本造成损伤，影响样本的质量和后续应用效果。
此外，随着精准医学的发展，对患者特异性样本储存的需求呈指数级增长，这进一步加剧了生物样本库的储存压力和成本负担。因此，寻找一种高效、低成本且能有效保护生物样本的替代储存方法，成为生物医学领域亟待解决的关键问题。
在这样的背景下，来自意大利、日本、波兰等多个国家的研究人员组成团队，开启了对诱导细胞和配子干燥休眠（anhydrobiosis）技术的探索之旅，相关研究成果发表在《TRENDS IN Biotechnology》上。
二、研究方法
- 细胞和精子干燥处理技术：研究人员采用多种脱水技术，如冷冻干燥、旋转干燥、真空干燥、微波干燥等，对细胞和精子进行脱水处理，探索不同技术对样本的影响。
- 基因表达和蛋白功能研究：通过分子生物学技术，研究干燥保护剂（xeroprotectant）相关基因在模式生物中的表达情况，以及这些基因产物（如 LEA 蛋白）对细胞和精子的保护作用机制。
- 动物实验验证：利用小鼠、绵羊、猫等多种动物模型，对干燥处理后的精子、体细胞和卵母细胞进行受精、核移植等实验，观察胚胎发育情况以及后代的健康状况，验证干燥储存技术的可行性和安全性。
三、研究结果
- 精子干燥储存的进展：精子干燥技术取得了显著突破。研究发现，利用精子独特的核结构，对干燥技术进行改进，能有效减少 DNA 损伤。例如，在水升华前将精子在 - 20 至 - 30°C 的低温下冷冻，可显著降低单链和双链 DNA 断裂，提高受精潜力，甚至在干燥过程的早期阶段无需使用液氮。此外，多种干燥技术，如旋转干燥和真空干燥，已成功应用于精子干燥，显著减少了 DNA 损伤，提高了胚胎发育性能。目前，精子干燥储存已接近实际应用，冻干的小鼠精子在室温下保存 3 天或在 - 30°C 下保存 3 个月后仍能保持受精能力，绵羊精子在真空干燥封装后在室温下保存 2 年，通过胞浆内单精子注射（ICSI）仍可产生正常胚胎。
- 体细胞干燥的探索：体细胞干燥仍处于研究初期，相关数据相对较少。研究团队通过让成纤维细胞表达 LEA 蛋白，发现表达一种或多种 LEA 蛋白的成纤维细胞在空气干燥 4 小时后，细胞活力显著提高，超过 30% 的细胞在复水后能够存活并迅速恢复。这表明 LEA 蛋白可以保护哺乳动物细胞免受干燥压力，但距离实现体细胞的可逆干燥仍有很长的路要走。
- 卵母细胞干燥的尝试：卵母细胞干燥同样面临挑战。微波辅助干燥技术在一定程度上有助于保存未成熟猫卵母细胞的 DNA 完整性，但目前还无法实现卵母细胞的长期稳定干燥储存。
- 干燥工作库的建立：通过多学科合作，目前已经对细胞和精子的可逆干燥有了较为深入的理解，建立了干燥工作库的初步框架。干燥储存虽然无法完全取代大型低温生物样本库，但对于短期储存精子的工作库，如人类生育治疗中心和濒危物种遗传样本库，干燥储存具有经济和操作上的优势。研究还发现，干燥的小鼠体细胞可以通过核移植转化为胚胎干细胞（ES cells），并进一步发育为成熟配子，这为濒危物种的遗传保护提供了新的思路。
四、研究结论与意义
研究人员在诱导细胞和配子干燥休眠技术方面取得了重要进展，精子干燥储存已接近实际应用，为生物样本储存提供了一种绿色、低成本的替代方案。这一技术在人类生育治疗、动物繁殖、生物多样性保护以及未来的太空探索等领域具有巨大的应用潜力。例如，在人类生育治疗中心，干燥储存精子可以降低成本，简化储存过程；对于濒危物种，干燥工作库的建立有助于保护其遗传资源，即使在目前无法完全保证复水后样本活力的情况下，也可以通过核移植和干细胞技术，为物种保护提供新的希望。
然而，该技术仍面临一些挑战，如需要开发专门用于小体积样本的干燥设备，以减少对细胞结构的损伤；需要进行更多大型动物实验，验证干燥储存精子产生后代的健康和正常发育情况。未来，随着技术的不断完善和创新，诱导细胞和配子干燥休眠技术有望为生物医学领域带来更多的惊喜和突破，为人类健康和生物多样性保护做出更大的贡献。
