在低溫生物學領域，冰的形成和生長會在低溫保存期間對細胞、組織、器官和其他生命資源造成致命傷害。特別是冰損傷，已成為器官移植領域的限制性瓶頸。

　　近日，中國科學技術大學信息科學技術學院趙剛教授與中國科大附屬第一醫(yī)院劉會蘭主任合作，基于二維碳化鈦MXene納米片的協(xié)同抑冰效應，實現(xiàn)了活細胞的高效深低溫冷凍保存。相關研究成果發(fā)表于《美國化學會—納米》。


課題組成員在做低溫顯微鏡實驗 課題組供圖

　　低溫保存“大有學問”

　　所謂低溫保存技術是指將細胞、組織、器官以及其他生命材料置于深低溫環(huán)境之下（通常為-80℃、-196℃），在此條件下生物體體內(nèi)的各種生化反應延緩甚至暫停，細胞處于“假死”或“休眠”的狀態(tài)。

　　為什么需要低溫保存活細胞？“這是因為活細胞從獲取到最終使用之間往往存在一個時間差，少則幾天，多則幾個月甚至幾年。為確保使用細胞時，它們是‘活’的，生物學功能仍完好，就需要在它們狀態(tài)最好時進行冷藏冷凍。”趙剛向《中國科學報》介紹。

　　因此，低溫保存作為眾多生命資源必不可少的儲存方式，在細胞治療、生物樣本庫建立、再生醫(yī)學等領域有不可替代的作用。比如凍存免疫細胞可以用于治療疾病；冷凍卵細胞可以使女性生育力得以保存。

　　目前，國際通用的深低溫冷凍保存方法主要分為慢速冷凍保存法和玻璃化保存法兩大類。然而，這兩種方法都面臨一個共同的挑戰(zhàn)——樣品使用前的復溫融解過程需要較快的復溫速率。假如復溫速率不夠快，樣品內(nèi)部可能就會出現(xiàn)重結晶或反玻璃化。

　　“簡單來說就是，在復溫過程中，小冰晶會發(fā)生形狀、方位的變化，變成大冰晶，玻璃態(tài)的水再次形成冰核，最終變成大冰晶。這個過程會對細胞造成致命性損傷，損傷程度甚至比降溫過程冰晶形成造成的損傷還要嚴重。”趙剛進一步解釋說，這是目前國際公認的挑戰(zhàn)性問題。

　　因此，實現(xiàn)降復溫過程中冰晶的協(xié)同抑制至關重要。其中，最重要的是尋找到一種合適的抑冰材料。

　　細胞活力提高到81%

　　功能性納米材料是抑冰材料的研究熱點，但現(xiàn)有研究大多關注納米材料的分子抑冰效應，對其協(xié)同抑冰效應（如分子抑冰效應結合光熱或磁熱效應等）的研究尚不多見。

　　這項研究中，團隊把目光投向了材料界的“黑馬”——二維碳化鈦MXene納米片。近年來，這種材料展示出優(yōu)異的物理和化學性能，廣泛應用于儲能、電磁屏蔽、傳感器和生物醫(yī)學等領域。

　　令人驚喜的是，團隊研究發(fā)現(xiàn)這種材料具有協(xié)同抑冰效應，即被動抑冰與光熱主動抑冰效應相結合。

　　因此，團隊創(chuàng)新性地在低溫保護劑溶液中引入適當濃度的二維碳化鈦MXene納米片，制備出納米低溫保護劑懸浮液，再將這種懸浮液與待保存的活細胞—水凝膠構建物混合、平衡，完成滲透性低溫保護劑的添加，隨后將樣品收集到塑料麥管中，將麥管直接置于液氮，快速完成降溫冷凍過程。

　　研究表明，在降溫冷凍過程中，二維碳化鈦MXene納米對冰晶的形成及其生長具有顯著的抑制作用，讓活細胞安全“假死”。

　　在復溫過程，二維碳化鈦MXene納米片又充分發(fā)揮其自身的光熱效應，也就是將吸收近紅外激光的能量轉化為熱量，充當高效的空間熱源，極大提升了樣品內(nèi)部復溫的均勻性，同時也提高了整個樣品的平均復溫速率。

　　趙剛教授說，“實驗結果表明，只要復溫過程達到足夠高的復溫速率、復溫均勻度，可以在一定程度上降低乃至消除降溫過程出現(xiàn)的危險因素和在復溫階段可能產(chǎn)生的危害，讓活細胞順利存活。”

　　數(shù)據(jù)表明，在活細胞—水凝膠構建物的冷卻和融解過程中，二維碳化鈦MXene納米片均能減少冰損傷誘導的干細胞冷凍損傷，最終使細胞活力從38.4%提高到80.9%。

　　從仿生學角度發(fā)展新保存策略

　　事實上，低溫保存技術是長期保存的一種策略，通常是因為常溫條件下無法實現(xiàn)某些樣品的長期保存而被迫采取的一種降低溫度的方法。

　　最理想的長期保存方式，實際上是常溫下在生物樣品體系內(nèi)引入盡可能少的外源性物質(zhì)從而實現(xiàn)保存。但是目前，常溫下還做不到這一點，因此就需要在降低溫度方面再做一些努力，這就是低溫保存的緣由。

　　趙剛教授認為，最理想的低溫保存方式其實就是綜合慢速冷凍保存和玻璃化保存的優(yōu)點，并消除其所有缺點的保存方式，即使用超低濃度、超低毒性的低溫保護劑，實現(xiàn)超快速降溫玻璃化保存。

　　但這種理想的低溫保存方式還面臨諸多挑戰(zhàn)，包括尋找或者合成低毒/無毒、高效的低溫保護劑；有效提高樣品的降復溫速率和降復溫過程中其內(nèi)部的溫度均勻性。

　　
? ? ? 趙剛教授表示，下一步，團隊將探索自然界的一些天然抗凍生命現(xiàn)象，借鑒其背后的物理機制，從仿生學角度發(fā)展新的保存策略，這也是未來的一個重要研究方向。同時，用物理學和工程學方法，突破現(xiàn)有低溫保存體系中溫度變化率、溫度均勻性的限制，進一步提升玻璃化轉變的效率，也是一個重要的努力方向。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10221
? ? ?（原載于《中國科學報》 2022-08-15 第3版 綜合）

（編輯：H）