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細(xì)胞凍存液是如何保護(hù)細(xì)胞的?

2020/10/24 7:56:57

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)胞特性或者長久的保存種質(zhì)資源,實驗人員往往將細(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)胞暫時脫離生長狀態(tài),等到實驗需要的時候再從液氮中取出復(fù)蘇應(yīng)用。在這一看似神奇的生命存儲過程中,我們不禁要問細(xì)胞凍存液是如何保護(hù)每一個細(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)部任何的物理損傷對于它都是致命的。水在低于零度的條件下會結(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)外的水份都會結(jié)冰,所形成的冰晶會造成細(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)的溶液中且時間過長,細(xì)胞膜上脂質(zhì)分子會受到損壞,細(xì)胞便發(fā)生滲漏,在復(fù)溫時,大量水分會因此進(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。因為冷凍保護(hù)劑容易同溶液中的水分子結(jié)合,從而降低冰點,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,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)外不會重新形成較大的冰晶,也不會暴露在高濃度的電解質(zhì)溶液中過長的時間,從而無冰晶損傷和溶質(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,可以使冰點下降,提高細(xì)胞膜對水的通透性,且對細(xì)胞無明顯毒性。DMSO能夠快速穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞,降低冰點、延緩凍存過程,同時提高細(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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