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細胞也要防“凍傷”
材料界“黑馬”MXene助力細胞冷凍復活
作者：趙剛等 來源：《美國化學會—納米》  
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寒冷條件下的結(jié)冰會給人類帶來不便和極大的風險。同樣，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(shù)大學信息科學技術(shù)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》。
二維碳化鈦(Ti3C2Tx) MXene納米片的協(xié)同抑冰效應示意圖.png
二維碳化鈦 MXene納米片的協(xié)同抑冰效應 課題組供圖
低溫保存“大有學問”
所謂低溫保存技術(shù)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，甚至是幾年。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�！壁w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)學等領域發(fā)揮不可替代的作用。比如凍存免疫細胞可以用于治療疾�。焕鋬雎鸭毎�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，都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(jié)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�！壁w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。
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課題組成員在做低溫顯微鏡實驗 課題組供圖
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(jié)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，廣泛應用于儲能和收集、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(jié)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(gòu)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(zhuǎn)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。
趙剛說，“實驗結(jié)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(gòu)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(shù)是長期保存的一種策略，通常是常溫條件下，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，實際上是在常溫下，對生物樣品體系內(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其內(nèi)部的溫度均勻性。
趙剛表示，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(zhuǎn)變的效率，也是一個重要的努力方向。（來源：中國科學報 王敏）
相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10221