用細(xì)胞凍存液保護(hù)細(xì)胞的原理
科幻電影中將凍存若干年的生命體重新解凍復(fù)活的情節(jié)在生命科學(xué)研究過程中每一天都在上演。為了將每一種有生命的細(xì)胞較好的保存其原有的細(xì)胞特性或者長(zhǎng)久的保存種質(zhì)資源，實(shí)驗(yàn)人員往往將細(xì)胞用特殊配置的細(xì)胞凍存液保存于-196℃的液氮，使得細(xì)胞暫時(shí)脫離生長(zhǎng)狀態(tài)，等到實(shí)驗(yàn)需要的時(shí)候再?gòu)囊旱腥〕鰪?fù)蘇應(yīng)用。在這一看似神奇的生命存儲(chǔ)過程中，我們不禁要問細(xì)胞凍存液是如何保護(hù)每一個(gè)細(xì)胞生命的？
細(xì)胞這一微小的生命體和地球的其它生命相似，機(jī)體的主要成份是由液態(tài)的H2O組成，但是其結(jié)構(gòu)微小復(fù)雜，內(nèi)部任何的物理?yè)p傷對(duì)于它都是致命的。水在低于零度的條件下會(huì)結(jié)冰。如果將細(xì)胞懸浮在純水中，隨著溫度的降低，細(xì)胞內(nèi)外的水份都會(huì)結(jié)冰，所形成的冰晶會(huì)造成細(xì)胞膜和細(xì)胞器的破壞而引起細(xì)胞死亡，這種因細(xì)胞內(nèi)部結(jié)冰而導(dǎo)致的細(xì)胞損傷稱為細(xì)胞內(nèi)冰晶的損傷。如果將細(xì)胞懸浮在溶液中，隨著溫度的降低，細(xì)胞外部的水分會(huì)首先結(jié)冰，從而使得未結(jié)冰的溶液中電解質(zhì)濃度升高。
如果將細(xì)胞暴露在這樣高溶質(zhì)的溶液中且時(shí)間過長(zhǎng)，細(xì)胞膜上脂質(zhì)分子會(huì)受到損壞，細(xì)胞便發(fā)生滲漏，在復(fù)溫時(shí)，大量水分會(huì)因此進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，造成細(xì)胞死亡。這種因保存溶液中溶質(zhì)濃度升高而導(dǎo)致的細(xì)胞損傷稱為溶質(zhì)損傷或稱溶液損傷。當(dāng)溫度進(jìn)一步下降，細(xì)胞內(nèi)外都結(jié)冰，產(chǎn)生冰晶損傷。但是如果在溶液中加入冷凍保護(hù)劑，則可保護(hù)細(xì)胞免受溶質(zhì)損傷和冰晶損傷。
因?yàn)槔鋬霰Ｗo(hù)劑容易同溶液中的水分子結(jié)合，從而降低冰點(diǎn)，減少冰晶的形成，并且通過其摩爾濃度降低未結(jié)冰溶液中電解質(zhì)的濃度，使細(xì)胞免受溶質(zhì)損傷，細(xì)胞得以在超低溫條件下保存。在復(fù)蘇時(shí)，一般以很快的速度升溫，1-2分鐘內(nèi)即恢復(fù)到常溫，細(xì)胞內(nèi)外不會(huì)重新形成較大的冰晶，也不會(huì)暴露在高濃度的電解質(zhì)溶液中過長(zhǎng)的時(shí)間，從而無(wú)冰晶損傷和溶質(zhì)損傷產(chǎn)生，凍存的細(xì)胞經(jīng)復(fù)蘇后仍保持其正常的結(jié)構(gòu)和功能。冷凍保護(hù)劑對(duì)細(xì)胞的冷凍保護(hù)效果還與冷凍速率、冷凍溫度和復(fù)溫速率有關(guān)。而且不同的冷凍保護(hù)劑其冷凍保護(hù)效果也不一樣。
冷凍保護(hù)劑甘油或二甲基亞砜（DMSO）分子量小、溶解度大、細(xì)胞膜通透性好，可以使冰點(diǎn)下降，提高細(xì)胞膜對(duì)水的通透性，且對(duì)細(xì)胞無(wú)明顯毒性。DMSO能夠快速穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，降低冰點(diǎn)、延緩凍存過程，同時(shí)提高細(xì)胞膜通透性，提高細(xì)胞內(nèi)離子濃度，減少細(xì)胞內(nèi)冰晶的形成，從而減少細(xì)胞損傷達(dá)到保護(hù)細(xì)胞的目的。
細(xì)胞這一微小的生命體和地球的其它生命相似，機(jī)體的主要成份是由液態(tài)的H2O組成，但是其結(jié)構(gòu)微小復(fù)雜，內(nèi)部任何的物理?yè)p傷對(duì)于它都是致命的。水在低于零度的條件下會(huì)結(jié)冰。如果將細(xì)胞懸浮在純水中，隨著溫度的降低，細(xì)胞內(nèi)外的水份都會(huì)結(jié)冰，所形成的冰晶會(huì)造成細(xì)胞膜和細(xì)胞器的破壞而引起細(xì)胞死亡，這種因細(xì)胞內(nèi)部結(jié)冰而導(dǎo)致的細(xì)胞損傷稱為細(xì)胞內(nèi)冰晶的損傷。如果將細(xì)胞懸浮在溶液中，隨著溫度的降低，細(xì)胞外部的水分會(huì)首先結(jié)冰，從而使得未結(jié)冰的溶液中電解質(zhì)濃度升高。
如果將細(xì)胞暴露在這樣高溶質(zhì)的溶液中且時(shí)間過長(zhǎng)，細(xì)胞膜上脂質(zhì)分子會(huì)受到損壞，細(xì)胞便發(fā)生滲漏，在復(fù)溫時(shí)，大量水分會(huì)因此進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，造成細(xì)胞死亡。這種因保存溶液中溶質(zhì)濃度升高而導(dǎo)致的細(xì)胞損傷稱為溶質(zhì)損傷或稱溶液損傷。當(dāng)溫度進(jìn)一步下降，細(xì)胞內(nèi)外都結(jié)冰，產(chǎn)生冰晶損傷。但是如果在溶液中加入冷凍保護(hù)劑，則可保護(hù)細(xì)胞免受溶質(zhì)損傷和冰晶損傷。
因?yàn)槔鋬霰Ｗo(hù)劑容易同溶液中的水分子結(jié)合，從而降低冰點(diǎn)，減少冰晶的形成，并且通過其摩爾濃度降低未結(jié)冰溶液中電解質(zhì)的濃度，使細(xì)胞免受溶質(zhì)損傷，細(xì)胞得以在超低溫條件下保存。在復(fù)蘇時(shí)，一般以很快的速度升溫，1-2分鐘內(nèi)即恢復(fù)到常溫，細(xì)胞內(nèi)外不會(huì)重新形成較大的冰晶，也不會(huì)暴露在高濃度的電解質(zhì)溶液中過長(zhǎng)的時(shí)間，從而無(wú)冰晶損傷和溶質(zhì)損傷產(chǎn)生，凍存的細(xì)胞經(jīng)復(fù)蘇后仍保持其正常的結(jié)構(gòu)和功能。冷凍保護(hù)劑對(duì)細(xì)胞的冷凍保護(hù)效果還與冷凍速率、冷凍溫度和復(fù)溫速率有關(guān)。而且不同的冷凍保護(hù)劑其冷凍保護(hù)效果也不一樣。
冷凍保護(hù)劑甘油或二甲基亞砜（DMSO）分子量小、溶解度大、細(xì)胞膜通透性好，可以使冰點(diǎn)下降，提高細(xì)胞膜對(duì)水的通透性，且對(duì)細(xì)胞無(wú)明顯毒性。DMSO能夠快速穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，降低冰點(diǎn)、延緩凍存過程，同時(shí)提高細(xì)胞膜通透性，提高細(xì)胞內(nèi)離子濃度，減少細(xì)胞內(nèi)冰晶的形成，從而減少細(xì)胞損傷達(dá)到保護(hù)細(xì)胞的目的。
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