凍干中的低溫保存和低溫?fù)p傷

  生物體為什么能在低溫下長期保存呢?這是因?yàn)榈蜏啬芤种粕矬w的生化活動(dòng)。生物體內(nèi)一切新陳代謝過程中的變化,雖然由酶催化而表現(xiàn)出多種特殊形式但仍然都服從于某些共同的物理化學(xué)規(guī)律。

細(xì)胞和組織在降溫和復(fù)溫過程中受損傷的機(jī)理：

細(xì)胞和組織雖能在低溫下長期保存,但卻極容易在降溫和復(fù)溫過程中受溶液凍結(jié)、融化以及溶液滲透壓力變化等因素的作用而損害。這種低溫?fù)p傷主要發(fā)生在0~-60℃這段溫度范圍內(nèi),我們稱這個(gè)溫度范圍為“危險(xiǎn)溫度區(qū)"。

為了實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的低溫保存,一般均需在溶液中加入一定種類和濃度的低溫保護(hù)劑,如甘油、二甲亞砜、甲醇、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)等。并針對(duì)不同的細(xì)胞,設(shè)計(jì)特定的降溫程序和復(fù)溫程序等。沒有上述特定的條件,細(xì)胞在降溫、復(fù)溫過程中必然會(huì)遭到低溫?fù)p傷而死亡在常溫下,細(xì)胞與其周圍的溶液是處于平衡狀態(tài);細(xì)胞內(nèi)、外的溫度和濃度都是相同的。也就是細(xì)胞內(nèi)外處于等溫和等滲狀態(tài)

在冷卻過程中,根據(jù)傳熱的原理,細(xì)胞外的溶液先被冷卻到溶液的凝固點(diǎn)以下;對(duì)于富含水的溶液,析出的固相幾乎是不含溶質(zhì)的冰，致使胞外的液體溶液的濃度升高。這樣,細(xì)胞內(nèi)外就存在著溫度差和濃度差(滲透壓),它們分別是傳熱和傳質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力。

1.冷卻速率相對(duì)過高的過程

在冷卻過程中,胞外溶液開始結(jié)冰時(shí),胞內(nèi)的水分來不及通過細(xì)胞膜滲向胞外,這樣胞內(nèi)溶液也會(huì)過冷,產(chǎn)生胞內(nèi)冰。

這個(gè)過程的特點(diǎn)是在凍結(jié)過程中細(xì)胞脫水很少,體積變化不大,但胞內(nèi)外均有冰形成。在復(fù)溫時(shí),胞內(nèi)外的冰都會(huì)產(chǎn)生再結(jié)晶,會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損傷。特別是胞內(nèi)冰的形成和再結(jié)晶,會(huì)對(duì)十分精致和脆弱的細(xì)胞膜產(chǎn)生損傷,從而導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。這種損傷被稱為“胞內(nèi)冰損傷"

2.冷卻速率相對(duì)過低的過程

在冷卻過程中,胞外溶液開始結(jié)冰時(shí),胞內(nèi)的水分有充分的時(shí)間可以通過細(xì)胞膜滲向胞外;細(xì)胞的體積明顯縮小:胞內(nèi)溶液的濃度也不斷增加,但沒有胞內(nèi)冰形成。

這個(gè)過程的特點(diǎn)是在凍結(jié)過程中細(xì)胞過度脫水,嚴(yán)重皺縮;同時(shí),細(xì)胞在不很低的溫度下,在高濃度的溶液中所經(jīng)歷的時(shí)間過長。這些都會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的損傷以至死亡。這種損傷被稱為“溶液損傷"或“溶質(zhì)損傷"。