齐鲁医学杂志2005年2月第20卷第1期MedJQilu,February2005,Vol.20,No.1·1··低温医学与生殖医学专题·细胞低温生物学研究进展王沛涛1,何立群2,舒志全2,赵刚2,李强1(1青岛大学医学院附属医院低温医学科,山东青岛266003;2中国科学技术大学热科学及能源工程系低温生物医学工程研究所)众所周知,离体的人体细胞、组织和器官在常规方式下2常温下细胞的渗透损伤不能长期保存。为保持这些离体生命材料的生物学功能,必须采用长期保存措施。而在生物医学研究中,比如细胞动力向水中加入溶质会降低水的冰点,一般来说,溶质浓度学、基因、干细胞治疗等,也希望某一阶段细胞能长期保持,越高,冰点就越低,因此成功进行低温保存的第一步就是添以保证有充分的时间进行研究。本文简要讨论目前为止所加恰当的低温保护剂,而且高浓度溶质对细胞有渗透性损发现的这些因素以及相应的低温损伤机制和预防措施。其伤,因此要适量。自50年以前,英国一个研究小组偶然发现中,包括最著名的PeterMazur关于低温损伤的两点假定。甘油是精子和红细胞的有效低温保护剂以来,虽然不断出现新的CPA,比如乙二醇、甲醇、丙二醇及二甲亚砜(DMSO),1细胞的低温保存有的也更加有效,但甘油至今仍然是有效的CPA之一。所目前,低温保存是最常见的长期保存方法。细胞在低温有这些CPA共有的最重要特征,就是在大多数情况下,能够下可以长期保存的机制在于低温下细胞的新陈代谢急速减稳定渗入细胞且在浓度为1mol/L或稍稍偏上时对细胞相慢。保存温度越低,新陈代谢越慢,保存时间也就越长。比对无毒。如,各个血液中心的血液常常在-5℃下保存,保存时间一CPA的保护功能体现在可以降低溶质(电解质)浓度,般为1个月;如果在-196℃下保存,应该能保存几个世纪。从而减缓低温下细胞的收缩[2],而保护程度则首先取决于细由于低温冰箱内温度恒定(-86℃),而常压下液氮的沸点胞内外CPA对溶质的摩尔比,即CPA的保护作用一般具有为-196℃,所以这两个温度是经常采用的保存温度。依数性。某一CPA对一个给定细胞是否有效,取决于细胞低温保存的主要优点是:①便于库存大量的细胞和组对该CPA的渗透性以及CPA的毒性。此类CPA必须依靠织,便于对供者和受者的免疫性进行鉴定和配型;②便于各渗透来保护细胞,但降温前的渗透和复温后的清除都会带来医疗单位之间实施细胞及组织的长途调配;③在移植之前,细胞体积的变化。这种变化如果超过其自身极限就可能造能有足够的时间检测甚至消灭细胞及组织中的遗传疾病。成伤害[3]。但实验发现,低温保存过程本身也会杀伤细胞及损害组添加低温保护剂后,细胞脱水和渗透性低温保护剂渗入织,这与低温保存的目的相矛盾。细胞及组织的这些损伤源的传质过程可描述为[4]:于上面保存过程中的一个步骤或者它们的综合作用。低温dVieie=LPART[(Mn-Mn)+σ(ms-ms](1)生物学的一个极其重要的研究内容就是揭示与细胞及组织dtii2低温损伤相关的物理学和生物学规律,尤其是那些与细胞内dms(1+VŠsms)=×ms(1-σ)-dtV-Vb外水结冰相关的损伤。理解这些原理有助于建立生物物理2i数学模型,以描述低温保存过程中细胞对环境变化的反应,msdVeii×+APs(ms-ms)(2)从而为长期低温保存细胞和防止低温损伤研制最佳的降温(1+VŠsms)dt程序及设备。本文回顾并讨论细胞低温损伤机制及其防范公式中,V为细胞体积,Vb为细胞内非溶液体积,VŠs为措施等基本低温生物学原理。溶质的偏摩尔体积,A为细胞表面积,t为时间,T为温度,R实际应用中,细胞的低温保存主要包括如下步骤:①添为普适气体常数,Lp为细胞膜对水的渗透系数,Ps为细胞膜加低温保护剂(CPA);②安全降温;③在某一温度下长期保对低温保护剂渗透系数,M为等渗重摩,m为质量摩尔数。下存;④安全复温;⑤取出低温保护剂。从常温到保存温度之标n表示盐份,s表示低温保护剂,上标i表示细胞内,e表示间来回变化,细胞内外的溶液就非常容易发生相变,细胞外细胞外,σ表示反射系数(σ=0是非选择性渗透膜的情况;而溶液的渗透压增大,尤其是-15～-60℃[1],对于细胞来讲σ=1表示只有溶剂渗透,对所有溶质都不渗透的情况)。是致命的,因此低温生物学的首要任务就是确定细胞如何能实验表明,添加CPA后,细胞先脱水,体积开始收缩,随安全地降温和复温。后CPA渗入,体积随之扩张。如果CPA的浓度过高,其体积会过度收缩以至超过细胞的忍受极限而导致损伤。同理,[收稿日期]2004208217;[修订日期]2004212228在取出CPA时如过度稀释,