Part1. 低溫冷凍保存的應(yīng)用

不知道大家看沒看過(guò)或聽過(guò)《三體》這個(gè)小說(shuō)呢？ 其中有個(gè)情節(jié)還蠻影響深刻的。三體第二部黑暗森林中出現(xiàn)了一種技術(shù)，低溫休眠技術(shù)，即將目標(biāo)速凍保存，等待數(shù)個(gè)世紀(jì)后高度發(fā)達(dá)的人類科技將目標(biāo)喚醒。 然而利用低溫休眠進(jìn)行人類活動(dòng)并不是《三體》才出現(xiàn)的，在《越空狂龍》《星際穿越》《深空失憶》等一些經(jīng)典的科幻作品中，都出現(xiàn)此類技術(shù)。

雖然他們的叫法不同，但具體的操作描述大概都一樣，是指在極短的時(shí)間內(nèi)，將人冷凍在極低的環(huán)境下，使代謝停止，無(wú)限延長(zhǎng)生命周期。

低溫休眠技術(shù)代表著我們對(duì)未來(lái)無(wú)線的遐想，包括延長(zhǎng)壽命、星際旅行，絕癥治療等。早在1972年就成立了Alcor基金會(huì)，該基金會(huì)在1976年進(jìn)行了*人體冷凍術(shù)，該機(jī)構(gòu)為早成立的人體冷凍組織機(jī)構(gòu)。目前，已為100多人進(jìn)行冷凍術(shù)。美國(guó)《財(cái)富》雜志稱，Alcor的客戶包括很多億萬(wàn)富翁，他們向基金會(huì)捐贈(zèng)大量資金，資助其研究人體冷凍技術(shù)。

但就現(xiàn)實(shí)層面而言，目前低溫生物學(xué)的發(fā)展還難以達(dá)到想科幻電影中的那樣完整個(gè)體的保存，更多的還是單體的細(xì)胞層面，比如胚胎、干細(xì)胞、哺乳動(dòng)物細(xì)胞、精子、抗體、組織切片和嚙齒動(dòng)物器官等。

講了這么久低溫生物學(xué)的應(yīng)用，那么低溫生物學(xué)的確切定義究竟是什么呢？

低溫生物學(xué)(cyrobiology)是研究低溫對(duì)生物所產(chǎn)生的影響及低溫在與生物有關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用的科學(xué)。它包括的內(nèi)容十分廣泛,幾乎所有在低于正常(生物適于生存的)溫度下進(jìn)行的與生物有關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究或理論探索都屬于低溫生物學(xué)的范疇。

它不僅保存我們剛剛科幻電影中提到的人體超低溫冷凍保存，也包括冷鏈?zhǔn)称罚呙绲取?/span>

主要可以概括為以下4個(gè)方面:

• 采用低溫科技治療疾病或者生產(chǎn)藥物

• 研究低溫條件下保存(保鮮)用作食物的生物材料

• 研究利用低溫條件保存活的生物材料(包括細(xì)胞、組織、器官,胚胎、甚至整個(gè)生物體)

• 以及研究低溫條件下生物的生命過(guò)程所受到的影響及生物對(duì)這類影響的適應(yīng)機(jī)制

Q：低溫為什么可以進(jìn)行生物樣品的保存？

主要是因?yàn)椋核菔巧飿悠防锏闹饕煞荩谏畹蜏兀礈囟鹊陀?８0℃，水存在晶體狀態(tài)和玻璃態(tài)２種物理方式。而從熱力學(xué)角度分析，水的這２種狀態(tài)的水分子都具有很高的粘度，并且?guī)缀醪粫?huì)擴(kuò)展。水的這個(gè)在深低溫下幾乎不會(huì)擴(kuò)散的特性為生物樣品的低溫保存提供了可能。

 Part2. 低溫冷凍保存的方法

之前提到深低溫狀態(tài)下水存在的晶體狀態(tài)和玻璃態(tài)２種狀態(tài)，低溫保存也同樣分為慢速降溫和快速降溫（玻璃化）２種方式。

慢速降溫保存通常采用“兩步法”，即首先將生物樣品采用某個(gè)較慢的降溫速率降溫到－８０°Ｃ并維持一段時(shí)間，然后第二步再將己經(jīng)處于－８０°Ｃ狀態(tài)的生物樣品直接投入液氮罐里-１９６°Ｃ）進(jìn)行深低溫的長(zhǎng)期保存。慢速降溫法的實(shí)質(zhì)是使用較慢的降溫速率，使得降溫過(guò)程中細(xì)胞內(nèi)的水逐漸脫離細(xì)胞，以達(dá)到減少細(xì)胞內(nèi)冰晶形成的概率的目的，從而提高細(xì)胞的存活率。他的優(yōu)勢(shì)是所用的冷凍保護(hù)劑濃度較低，只需要3%-20%左右，但容易造成冷損傷和滲透壓失衡。

快速降溫保存，即玻璃化方法就是用高濃度的冷凍稀釋液,以極快的速率降溫,使溶液內(nèi)沒有足夠的時(shí)間形成冰晶核就直接轉(zhuǎn)變成無(wú)形態(tài)的玻璃樣固體的過(guò)程。此方法的優(yōu)點(diǎn)是不用的程序控制降溫儀,操作簡(jiǎn)便、快速,減輕損傷,但是由于在降溫過(guò)程中需要加入大量的冷凍保護(hù)劑，高達(dá)40-60%v/v,這些冷凍保護(hù)劑往往存在一定毒性會(huì)殺死內(nèi)部細(xì)胞，同時(shí)由于玻璃化過(guò)程中為了確保整個(gè)生物樣品的內(nèi)部和外部均能實(shí)現(xiàn)快速降溫，需要減少樣品的尺寸、以及增加和外界超低溫環(huán)境（比如液氮）的接觸面積。因此這種暫時(shí)只適用于小尺寸、小計(jì)量生物樣品的保存，僅有ul單位。所以，目前大家還是通常采取慢速降溫進(jìn)行低溫保存。