综述：攻克生物样本冷冻难题：创新材料与策略的前沿探索

研究人员针对生物样本冷冻保存难题，探索创新材料与策略，为该领域发展提供方向。

　　

生物样本的冷冻保存技术，在生物医学和种质资源保护等领域至关重要。想象一下，通过冷冻保存，能让珍贵的器官随时待命，挽救无数生命；能让濒危物种的遗传物质得以保存，延续物种的希望。然而，这项技术却面临着诸多挑战。在冷冻过程中，冰晶的形成和生长就像一个个 “小恶魔”，它们会对细胞和组织造成机械损伤，破坏细胞的结构和功能。同时，冷冻保护剂（CPAs）虽然能在一定程度上缓解冰晶的危害，但它们自身的细胞毒性却又带来了新的问题，这就如同 “饮鸩止渴”，让生物样本的冷冻保存陷入困境。

为了解决这些难题，来自华南农业大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》上，为生物样本冷冻保存领域带来了新的希望。

在研究方法上，研究人员综合运用了多种技术。一方面，他们对多种生物样本进行观察和分析，研究不同材料和方法对其冷冻保存效果的影响。另一方面，通过模拟生物在低温环境下的生存机制，探索更有效的冷冻保存策略。此外，还借助先进的材料表征技术，研究各类材料与冰的相互作用机制。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. 天然和合成材料与冰的相互作用
   

• 糖类和聚合物：像海藻糖、聚（乙烯二醇）等糖类和聚合物，能有效恢复冻融循环后细胞的组成。它们可以诱导细胞脱水，减少细胞内冰晶形成，抑制冰晶重结晶（IRI） ，在商业冷冻保存鸡尾酒中已得到应用。

• 抗冻蛋白及其模拟物：抗冻蛋白（AFPs）由生活在极寒环境的生物产生，能吸附在冰晶表面，抑制冰晶生长和重结晶，具有热滞效应。但 AFPs 存在成本高、潜在免疫原性和毒性等问题。目前，研究人员通过模拟 AFPs 设计合成了一些冰调节剂，如基于聚合物的纳米材料等，在细胞冷冻保存中取得了不错的效果。

• 冰成核剂：与 AFPs 作用相反，冰成核剂可促进溶液在相对较高的零下温度下发生相变，抑制严重的过冷现象。例如，一些细菌产生的冰成核蛋白以及无机和矿物颗粒等冰模拟物，可提高细胞回收率和再现性。

• 水凝胶：水凝胶是一种新型的湿软材料，具有独特的抗冻机制。其与水分子之间的强氢键相互作用能减少自由水比例，降低冰的形成。例如，海藻酸盐水凝胶可提高人类胚胎干细胞在慢冻过程中的存活率，还能促进玻璃化并降低 CPA 浓度。

2. 生化调节提高冷冻耐受性
   

• 抗氧化剂减少氧化应激：冷冻保存过程中会产生过多的活性氧（ROS），导致细胞损伤。抗氧化剂可通过多种方式发挥作用，如直接清除 ROS，像维生素 C、维生素 E 和谷胱甘肽（GSH）等；激活内源性抗氧化系统，如通过激活 Nrf2/ARE 途径增强抗氧化酶的表达；调节细胞凋亡相关信号通路，抑制细胞凋亡；促进解冻后的恢复，为细胞恢复提供有利条件。

• 离子稳定细胞膜：某些离子在冷冻保存中能稳定细胞膜。例如，两性离子可与水强烈静电相互作用，抑制冰结晶，稳定细胞膜，还能减少 DMSO 的毒性；锌阳离子可与脂质分子适度相互作用，维持膜流动性，增强细胞对渗透压和机械应力的抵抗力。

3. 规模化冷冻保存方法
   

• 纳米升温：利用纳米材料在外部物理场作用下的自热特性，实现快速均匀升温，抑制冰晶重结晶。目前，纳米升温在细胞、组织和器官的复温方面已展现出良好的效果，但仍存在纳米材料负载、参数优化和安全性等问题需要解决。

• 细胞封装：采用生物相容性水凝胶将活细胞包裹起来，能有效抑制细胞受到的机械损伤和剪切应力，促进细胞附着和细胞 - 基质相互作用。研究人员开发了多种细胞封装方法，如静电喷涂、微流控技术等，并不断对其进行优化。

• 冷冻网格：冷冻网格是一种有前景的胚胎和生物体玻璃化冷冻方法。通过使用具有良好导热性的材料制作网格，能实现高效的冷冻保存和快速复温，且可在短时间内处理大量样本，但网格的参数可能会影响玻璃化冷冻效果。

• 等容冷冻：等容冷冻是一种在恒定体积下进行的冷冻保存方式，可减少与树枝状晶体形成相关的机械损伤。研究表明，这种方法能成功保存多种生物样本，如哺乳动物心脏、胰腺胰岛等，还能实现能源节约。

研究结论和讨论部分指出，虽然目前在生物样本冷冻保存方面取得了一定进展，但仍面临诸多挑战。不同生物样本的生化途径不同，冷冻保存难以 “一刀切”。未来需要从多个方面深入研究，如借助成像技术、多组学技术等手段阐明生物的天然耐寒机制；研究特定样本冷冻损伤修复的信号通路靶点；运用计算化学、分子动力学模拟和人工智能等多学科方法开发多功能、抗氧化、抗冻、生物相容性好且可扩展的平台。这对于推动生物样本冷冻保存技术的发展，实现更高效、更安全的生物样本保存具有重要意义，有望为生物医学和种质资源保护等领域带来新的突破。