在冰凍過程中,主要的脅迫來自:①暴露在低溫下;②冰晶的機(jī)械、物理效應(yīng);③胞外溶液性質(zhì)的改變;④胞內(nèi)溶液類似性質(zhì)的改變。超低溫?fù)p傷的一個(gè)原因,可能是細(xì)胞本身沒有結(jié)冰時(shí)溫度下降對細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的影響。若發(fā)生這種直接的低溫?fù)p傷,則在降溫過程中會(huì)很快地表現(xiàn)出來并取決于冷凍速度,隨冷凍速度增加而增加。這種損傷在很多細(xì)胞包括細(xì)菌、酵母、原生生物、藻類、高等植物和哺乳類細(xì)胞系中都可觀察到。
在水溶液環(huán)境的細(xì)胞系統(tǒng)中,冷凍速度慢將導(dǎo)致胞外結(jié)冰,而細(xì)胞仍未結(jié)冰,不過已處于超冷卻狀態(tài)(即處于溶液冰點(diǎn)以下,但無冰晶形成)。胞外結(jié)冰的主要后果是溶質(zhì)從冰晶中排出,并在剩余的液體部分積累。這小部分溶液很快積累大量溶質(zhì),因而對細(xì)胞造成了高滲環(huán)境,以致未結(jié)冰細(xì)胞的滲透脅迫也就增加 (圖1)。細(xì)胞的反應(yīng)表現(xiàn)為失水、體積減少,并且因細(xì)胞膜的表面積減少可能遭受一系列機(jī)械損傷。這些損傷包括由于細(xì)胞收縮引起質(zhì)膜物質(zhì)丟失,這可能導(dǎo)致解凍過程中隨著細(xì)胞恢復(fù)其原來的體積而發(fā)生胞溶作用。顯然,在這種低溫脫水過程中,未冰凍細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)將更加濃縮,其細(xì)胞器將和整體細(xì)胞一樣遭受后面損傷性的滲透脅迫效應(yīng)。細(xì)胞外的冰晶和未結(jié)冰溶液將同時(shí)存在,直至達(dá)到溶液的共溶溫度,在這種溫度下,溶質(zhì)開始晶體化。
圖1 不同零下溫度下未結(jié)冰水的百分?jǐn)?shù)和未結(jié)冰NaCl溶液中溶質(zhì)的摩爾數(shù);
起初NaCl摩爾數(shù)為0.15M(引自Grout和Morris,1987)
超低溫保存技術(shù)將面臨的挑戰(zhàn):
1、要盡可能改進(jìn)技術(shù)線路,以便發(fā)展中國家可以立即在農(nóng)作物的保存和改良、以及生物技術(shù)和醫(yī)療保健的開發(fā)上獲得益處。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要步驟,就是發(fā)展和生產(chǎn)在技術(shù)不可靠的條件下性能可靠的廉價(jià)冰凍設(shè)備。第二步目標(biāo)是大器官(例如腎)的超低溫保存,以方便移植手術(shù)的器官供應(yīng)。這里面的困難包括尋找適合保存大器官時(shí)不可避免的熱傳遞問題。
2、用單一方案保存多種類型的細(xì)胞不是不能實(shí)現(xiàn),這在生長后期的軟體動(dòng)物幼體保存中已被證實(shí)。這些動(dòng)物直徑在0.5mm以上,并具有發(fā)達(dá)的功能肌肉、帶消化組織的內(nèi)臟、活躍的纖毛和神經(jīng)、循環(huán)組織。由于這些幼體體積小,表面積/體積較大,熱傳遞可能不會(huì)受到很大的限制。不過,在更大的器官中例如哺乳動(dòng)物的腎,傳遞關(guān)系很復(fù)雜,可能成為冷凍和脫水的重要限制因子。這些物理問題可能比細(xì)胞的多樣性、對超低溫保存的成功造成更大的影響。自增壓液氮罐
超低溫保存應(yīng)用:
已證明液氮保存適應(yīng)于一系列細(xì)胞、組織和有機(jī)體(例如細(xì)菌、酵母、血紅細(xì)胞、雜交瘤、哺乳動(dòng)物配子和高等植物培養(yǎng)細(xì)胞),并且已成功地開發(fā)其商業(yè)價(jià)值,特別是牛精子和胚胎,以及最近的軟體動(dòng)物幼體。