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培养细胞的冷冻保存与复苏

发布时间: 2017-03-20  点击次数: 991次

冷冻保存与复苏原理 
在低于-70℃的超低温条件下,有机体细胞内部的生化反应极其缓慢,甚至终止。因此,采取适当的方法将生物材料降至超低温,即可使生命活动固定在某一阶段而不衰老死亡。当以适当的方法将冻存的生物材料恢复至常温时,其内部的生化反应可恢复正常。所谓冷冻保存,就是将体外培养物或生物活性材料悬浮在加有或不加冷冻保护剂的溶液中,以一定的冷冻速率降至零下某一温度(一般是低于-70℃的超低温条件),并在此温度下对其长期保存的过程。而复苏就是以一定的复温速率将冻存的体外培养物或生物活性材料恢复到常温的过程。不论是微生物、动物细胞、植物细胞还是体外培养的器官都可以进行冻存,并在适当条件下复苏。 
水在低于零度的条件下会结冰。如果将细胞悬浮在纯水中,随着温度的降低,细胞内外的水分都会结冰,所形成的冰晶会造成细胞膜和细胞器的破坏而引起细胞死亡。

这种因细胞内部结冰而导致的细胞损伤称为细胞内冰晶的损伤。如果将细胞悬浮在溶液中,随着温度的降低,细胞外部的水分会首先结冰,从而使得未结冰的溶液中电解质浓度升高。如果将细胞暴露在这样高溶质的溶液中且时间过长,细胞膜上脂质分子会受到损坏,细胞便发生渗漏,在复温时,大量水分会因此进入细胞内,造成细胞死亡。这种因保存溶液中溶质浓度升高而导致的细胞损伤称为溶质损伤或称溶液损伤。当温度进一步下降,细胞内外都结冰,产生冰晶损伤。但是如果在溶液中加入冷冻保护剂,则可保护细胞免受溶质损伤和冰晶损伤。因为冷冻保护剂容易同溶液中的水分子结合,从而降低冰点,减少冰晶的形成,并且通过其摩尔浓度降低未结冰溶液中电解质的浓度,使细胞免受溶质损伤,细胞得以在超低温条件下保存。在复苏时,一般以很快的速度升温,1-2分钟内即恢复到常温,细胞内外不会重新形成较大的冰晶,也不会暴露在高浓度的电解质溶液中过长的时间,从而无冰晶损伤和溶质损伤产生,冻存的细胞经复苏后仍保持其正常的结构和功能。冷冻保护剂对细胞的冷冻保护效果还与冷冻速率、冷冻温度和复温速率有关。而且不同的冷冻保护剂其冷冻保护效果也不一样。 

¨冷冻速率 
冷冻速率是指降温的速度,直接关系到冷冻效果。细胞在冷冻过程中会发生如下变化:当细胞被冷至-5℃时,因溶液中加有冷冻保护剂而降低溶液的冰点,细胞内外溶液仍未结冰;当被冷至-5~-15℃之间时,细胞外溶液先出现结冰而细胞内仍保持未结冰状态。细胞内未结冰的水分子会比细胞外部分结冰溶液中的水分子具有更高的化学能。其结果是,细胞内水分子为了和细胞外水分子保持化学能的平衡,会向细胞外流动。冷冻速度不同,细胞内水分向外流动的情况也不相同:如果冷冻速度慢,细胞内水分外渗多,细胞脱水,体积缩小,细胞内溶质浓度增高,细胞内不会发生结冰;如果冷冻速度快,细胞内水分没有足够的时间外渗,结果随着温度的下降而发生细胞内结冰;如果冷冻速度非常快(即超快速冷冻),则细胞内形成的冰晶非常小或不结冰而呈玻璃状态(玻璃化冷冻)。Luyet(1973)证实液体的凝固可分为两种形式:一种是晶体化,溶液中的分子呈有序排列;另一种情况是非晶体即玻璃化,液体中的分子呈无序状态,保持未凝固前的状态。

不同的冷冻速度既然能使细胞内发生不同的生理变化,也可以对细胞产生不同的损伤。当冷冻速度过慢时,细胞脱水严重,细胞体积严重收缩,超过一定程度时即失去活性。同时冷冻速度过慢,还会引起细胞外溶液部分结冰,从而使细胞外未结冰的溶液中溶质浓度增高,产生溶质损伤。当冷冻速度过快时,细胞内水分来不及外渗,会形成较到冰晶,造成细胞膜及细胞器的破坏,产生细胞内冰晶损伤。超快速玻璃化冷冻对细胞存活来说是zui为理想的冷冻方法。细胞内外呈玻璃化凝固,无冰晶形成或形成很小的冰晶,对细胞膜和细胞器不致造成损伤,细胞也不会在高浓度的溶质中长时间暴露而受损。 
不同细胞的zui适冷冻速率不同。小鼠骨髓干细胞、酵母、人红细胞的zui适冷冻速率分别为1.6℃/min、7℃/min和200℃/min。细胞与细胞之间的zui适冷冻速率可在1.6℃~300℃/min,故对一种细胞进行冷冻保存之前,首先需要测定其zui适冷冻速率,以保证获得zui高的冷冻存活率。