综述：仿生型低温保存材料及技术

生物样本 (如细胞、组织及器官) 在组织工程、遗传发育、再生医学、移植医学等多种先进医疗技术中具有重要价值，其临床应用可创造媲美癌症治愈的巨大公共卫生效益。传统的低温保存方法，包括静态冷藏法和慢速冷冻法，难以在空间和时间上解决对大尺度生物样品的需求。有效的生物样本低温保存方法是解决全球器官迫切需求的唯一有效途径。

近日，中国科学院理化技术研究所饶伟研究团队在Trends in Biotechnology发表了题为 Bioinspired materials and technology for advanced cryopreservation 的综述文章。文章高度凝练了自然界中冬眠动物及抗冻生物的耐寒机制，并总结了近年来针对三维体相系统的仿生型低温保存材料与技术的发展，对于低温保存未来发展趋势提出了独特见解（图1）。

在低温下生存的动物，如哺乳动物在冬眠期间,减缓代谢速率以节约能源并减轻缺血损伤，冷冻避免型动物采用过冷来防止或减轻冰晶带来的损伤，而耐冻动物甚至可以忍受部分体液结冰。冬眠动物、耐寒两栖动物、爬行动物和昆虫为仿生型低温保存材料及技术的研究提供了理想的参考模型。师法自然，或将帮助人类掌握生物样本的冷冻保存技术。

耐寒物种的生理性调控为发展新型天然冷冻保护剂提供了宝贵思路，包括但不限于抑制代谢速率、应激通路上调以及低温保护剂 (CPAs) 的积累（图1）。一些特定分子，如硫化氢 (H2S) 和活化蛋白激酶 (AMPK)，在增强供体器官耐受缺血-再灌注损伤的能力中发挥了重要作用。在耐寒动物体内也发现了具有高生物相容性的冷冻保护剂，例如，L-脯氨酸、海藻糖、抗冻蛋白及其衍生物，可用于减缓生物样本所受冰的伤害，提高生物样本低温保存效率。

图1. 动物的耐寒机制启发研究人员革新低温保存方法。

此外，生物技术的进步，如纳米技术和微流道技术（图2），有望将天然抗寒作为机制转化为有效的低温保存方法。例如，在自然界中，一些体积较大的动物（木蛙）不仅依靠外界环境的热传导，还通过提高自身代谢率，利用化学能产生热量，实现机体均匀、快速的复温，以避免重结晶并减少缺血再灌注损伤（图2A）。受这种生物自主调节的解冻过程的启发，研究人员将纳米粒子CPAs作为自加热热籽，在外部物理场驱动下实现了生物样本快速而均匀的复温，而不是仅仅依赖于从组织表面到内部深处的热传导。这种纳米复温方法不仅可以显著提高升温速率，还可以消除温度在大尺度样本中分布的不均匀性，将热应力损伤降至最低。

图2. 仿生型纳米快速均匀复温玻璃化生物样本。纳米颗粒作为自加热粒子，利用外部物理场，实现快速、均匀的复温。

目前，我们对耐寒动物抗寒机制的了解仍然有限，对耐寒策略的系统研究仍然需要进一步学习。未来，基因组学和蛋白质组学筛选工具、实时无创的3D温度监测方法有助于阐明耐寒物种冷适应机制；此外，还需要从传热传质的角度进一步分析，以降低冻融过程中的热机械应力。值得指出的是，最佳冷却和复温速率是实现冷敏感生物样品成功低温保存的必要条件，因而发展智能型CPAs和温度调节平台是未来的重要方向。更进一步的，大尺度生物样本的保存需要从系统的整体尺度进行设计，例如开发模拟肺部分子交换的仿生薄膜，以及模拟肾脏去除有毒物质的仿生透析器等等。但我们相信通过仿生实现生物低温保存并非镜中花水中月，作为一个新兴的研究领域，多领域多学科的“跨界”合作，将激发出仿生性冷冻保存巨大的研究和临床应用的价值。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2021.06.004

制版人：十一

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