用細胞凍存液保護細胞的原理
科幻電影中將凍存若干年的生命體重新解凍復(fù)活的情節(jié)在生命科學(xué)研究過程中每一天都在上演。為了將每一種有生命的細胞較好的保存其原有的細胞特性或者長久的保存種質(zhì)資源，實驗人員往往將細胞用特殊配置的細胞凍存液保存于-196℃的液氮，使得細胞暫時脫離生長狀態(tài)，等到實驗需要的時候再從液氮中取出復(fù)蘇應(yīng)用。在這一看似神奇的生命存儲過程中，我們不禁要問細胞凍存液是如何保護每一個細胞生命的？
細胞這一微小的生命體和地球的其它生命相似，機體的主要成份是由液態(tài)的H2O組成，但是其結(jié)構(gòu)微小復(fù)雜，內(nèi)部任何的物理損傷對于它都是致命的。水在低于零度的條件下會結(jié)冰。如果將細胞懸浮在純水中，隨著溫度的降低，細胞內(nèi)外的水份都會結(jié)冰，所形成的冰晶會造成細胞膜和細胞器的破壞而引起細胞死亡，這種因細胞內(nèi)部結(jié)冰而導(dǎo)致的細胞損傷稱為細胞內(nèi)冰晶的損傷。如果將細胞懸浮在溶液中，隨著溫度的降低，細胞外部的水分會首先結(jié)冰，從而使得未結(jié)冰的溶液中電解質(zhì)濃度升高。
如果將細胞暴露在這樣高溶質(zhì)的溶液中且時間過長，細胞膜上脂質(zhì)分子會受到損壞，細胞便發(fā)生滲漏，在復(fù)溫時，大量水分會因此進入細胞內(nèi)，造成細胞死亡。這種因保存溶液中溶質(zhì)濃度升高而導(dǎo)致的細胞損傷稱為溶質(zhì)損傷或稱溶液損傷。當溫度進一步下降，細胞內(nèi)外都結(jié)冰，產(chǎn)生冰晶損傷。但是如果在溶液中加入冷凍保護劑，則可保護細胞免受溶質(zhì)損傷和冰晶損傷。
因為冷凍保護劑容易同溶液中的水分子結(jié)合，從而降低冰點，減少冰晶的形成，并且通過其摩爾濃度降低未結(jié)冰溶液中電解質(zhì)的濃度，使細胞免受溶質(zhì)損傷，細胞得以在超低溫條件下保存。在復(fù)蘇時，一般以很快的速度升溫，1-2分鐘內(nèi)即恢復(fù)到常溫，細胞內(nèi)外不會重新形成較大的冰晶，也不會暴露在高濃度的電解質(zhì)溶液中過長的時間，從而無冰晶損傷和溶質(zhì)損傷產(chǎn)生，凍存的細胞經(jīng)復(fù)蘇后仍保持其正常的結(jié)構(gòu)和功能。冷凍保護劑對細胞的冷凍保護效果還與冷凍速率、冷凍溫度和復(fù)溫速率有關(guān)。而且不同的冷凍保護劑其冷凍保護效果也不一樣。
冷凍保護劑甘油或二甲基亞砜（DMSO）分子量小、溶解度大、細胞膜通透性好，可以使冰點下降，提高細胞膜對水的通透性，且對細胞無明顯毒性。DMSO能夠快速穿透細胞膜進入細胞，降低冰點、延緩凍存過程，同時提高細胞膜通透性，提高細胞內(nèi)離子濃度，減少細胞內(nèi)冰晶的形成，從而減少細胞損傷達到保護細胞的目的。
細胞這一微小的生命體和地球的其它生命相似，機體的主要成份是由液態(tài)的H2O組成，但是其結(jié)構(gòu)微小復(fù)雜，內(nèi)部任何的物理損傷對于它都是致命的。水在低于零度的條件下會結(jié)冰。如果將細胞懸浮在純水中，隨著溫度的降低，細胞內(nèi)外的水份都會結(jié)冰，所形成的冰晶會造成細胞膜和細胞器的破壞而引起細胞死亡，這種因細胞內(nèi)部結(jié)冰而導(dǎo)致的細胞損傷稱為細胞內(nèi)冰晶的損傷。如果將細胞懸浮在溶液中，隨著溫度的降低，細胞外部的水分會首先結(jié)冰，從而使得未結(jié)冰的溶液中電解質(zhì)濃度升高。
如果將細胞暴露在這樣高溶質(zhì)的溶液中且時間過長，細胞膜上脂質(zhì)分子會受到損壞，細胞便發(fā)生滲漏，在復(fù)溫時，大量水分會因此進入細胞內(nèi)，造成細胞死亡。這種因保存溶液中溶質(zhì)濃度升高而導(dǎo)致的細胞損傷稱為溶質(zhì)損傷或稱溶液損傷。當溫度進一步下降，細胞內(nèi)外都結(jié)冰，產(chǎn)生冰晶損傷。但是如果在溶液中加入冷凍保護劑，則可保護細胞免受溶質(zhì)損傷和冰晶損傷。
因為冷凍保護劑容易同溶液中的水分子結(jié)合，從而降低冰點，減少冰晶的形成，并且通過其摩爾濃度降低未結(jié)冰溶液中電解質(zhì)的濃度，使細胞免受溶質(zhì)損傷，細胞得以在超低溫條件下保存。在復(fù)蘇時，一般以很快的速度升溫，1-2分鐘內(nèi)即恢復(fù)到常溫，細胞內(nèi)外不會重新形成較大的冰晶，也不會暴露在高濃度的電解質(zhì)溶液中過長的時間，從而無冰晶損傷和溶質(zhì)損傷產(chǎn)生，凍存的細胞經(jīng)復(fù)蘇后仍保持其正常的結(jié)構(gòu)和功能。冷凍保護劑對細胞的冷凍保護效果還與冷凍速率、冷凍溫度和復(fù)溫速率有關(guān)。而且不同的冷凍保護劑其冷凍保護效果也不一樣。
冷凍保護劑甘油或二甲基亞砜（DMSO）分子量小、溶解度大、細胞膜通透性好，可以使冰點下降，提高細胞膜對水的通透性，且對細胞無明顯毒性。DMSO能夠快速穿透細胞膜進入細胞，降低冰點、延緩凍存過程，同時提高細胞膜通透性，提高細胞內(nèi)離子濃度，減少細胞內(nèi)冰晶的形成，從而減少細胞損傷達到保護細胞的目的。
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