凍干中的低溫保存和低溫損傷

  生物體為什么能在低溫下長期保存呢?這是因為低溫能抑制生物體的生化活動。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。

細胞和組織在降溫和復(fù)溫過程中受損傷的機理：

細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。這種低溫損傷主要發(fā)生在0~-60℃這段溫度范圍內(nèi),我們稱這個溫度范圍為“危險溫度區(qū)"。

為了實現(xiàn)細胞的低溫保存,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。并針對不同的細胞,設(shè)計特定的降溫程序和復(fù)溫程序等。沒有上述特定的條件,細胞在降溫、復(fù)溫過程中必然會遭到低溫損傷而死亡在常溫下,細胞與其周圍的溶液是處于平衡狀態(tài);細胞內(nèi)、外的溫度和濃度都是相同的。也就是細胞內(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,細胞外的溶液先被冷卻到溶液的凝固點以下;對于富含水的溶液,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)動力。

1.冷卻速率相對過高的過程

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

這個過程的特點是在凍結(jié)過程中細胞脫水很少,體積變化不大,但胞內(nèi)外均有冰形成。在復(fù)溫時,胞內(nèi)外的冰都會產(chǎn)生再結(jié)晶,會對細胞造成損傷。特別是胞內(nèi)冰的形成和再結(jié)晶,會對十分精致和脆弱的細胞膜產(chǎn)生損傷,從而導(dǎo)致細胞的死亡。這種損傷被稱為“胞內(nèi)冰損傷"

2.冷卻速率相對過低的過程

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

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