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银丰生命延续计划科研体系蓝图发布
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重磅!银丰低温医学专委会主委赵刚教授再发文章 《先进的低温保存工程策略—利用干细胞产品的关键步骤》

发布时间:

2023-09-08

低温保存被称为凝固时光的技术,通过将生物材料(如细胞、组织、器官)在添加低温保护剂的情况下冷却至低温(一般为-196℃液氮保存),待需要时再将其以有效的方式复温至正常温度(37℃),此时生物样品仍可恢复并保持其活性。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。目前,细胞和细薄组织(卵巢等)的低温保存已取得系列进展,但是随着体积增大,细胞种类增多,结构复杂性增大,大尺度生物样本的低温保存仍然面临着巨大的挑战。

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近日,国际低温生物学会常务理事、中国科学技术大学赵刚教授课题组在Cell Regeneration上发表了题为“Advanced cryopreservation engineering strategies: the critical step to utilize stem cell products”的综述文章。该文较为全面地回顾了细胞低温保存的背景和原理,综括了细胞低温保存常用的工程技术手段,并提出了协同抑冰策略。

低温保存是利用极低的温度(-80℃或-196℃)实现细胞、组织、器官和其他生物材料长期保存的一项重要技术。在低温条件下,活细胞内的化学和生物反应显著减少,甚至停止,这是实现各种生物样本长期保存的根本机制。然而,低温保存效果受到诸多复杂因素影响,也与样品本身和外界调控密切相关。

除了低温保存中可能产生的冰晶损伤,复温过程中的热应力损伤和冰晶损伤往往也是致命的,这在大尺度样本保存中尤为明显。研究团队基于外部物理场的光热复温与电磁复温技术在抑制复温过程中的冰晶生长和消除热应力方面取得了巨大的进展。赵刚课题组在国际上首次将磁性纳米颗粒引入低温保存并取得了显著成效。

研究发现,对于小尺度的生物样品如细胞和组织,于保护剂中添加纳米颗粒,在磁场作用下升温速率提高,能够抑制再结晶与反玻璃化;对于器官等大尺度样本,通过灌流等手段将纳米颗粒均匀分布在样本内部,通过磁场加热实现均匀快速复温,可以有效抑制热应力损失和冰晶损伤。电磁复温是低温保存的有效策略,具有保存多种尺度生物样品的潜力。

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低温保存生物样本的电磁复温

此外,近年来各种先进的水凝胶微胶囊技术不断涌现。微封装可作为基础技术与其他抑冰技术联合使用,起到多重抑冰的效果。

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活细胞的微封装/胶囊化(活细胞构建物)

基于此,赵刚团队提出了协同抑冰的工程策略,即将两种或多种先进的工程技术有效融入低温保存领域,在降温和复温的过程中协同作用,实现生物样本的高质量保存。

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协同抑冰

长期以来,冰晶的形成和生长及其造成的损伤,是活细胞、组织和器官等天然生命材料,以及活细胞构建物和培养物等生物复合材料的深低温冷冻保存所面临的主要挑战之一。深入了解冰晶形成的机理,开发高效的方法或技术,有效调控降温冷冻和复温融解过程冰晶的形成,具有重要的基础研究和实际应用价值。

文章阐述了功能性纳米材料是抑冰材料的研究热点。但是现有研究大多仅关注纳米材料的分子抑冰效应,对其协同抑冰效应(如,分子抑冰效应结合光热或磁热效应等)的研究尚不多见,由此提出一系列先进的工程抑冰技术,包括光热、磁热复温、细胞封装和协同抑冰。

2015年成立的山东银丰生命科学研究院,一直将低温生物医学研究和低温保存作为重要课题任务,在多种冷冻保护剂开发、低温设备研制、组织器官低温保存研究等方面着力,尤其是针对大尺度的组织器官深低温保存存在共性的难题,与国际国内低温生物医学、临床医学等领域专家学者,建立信息和成果共享、技术开放的合作平台,加强科研交流,发挥各方优势。我们相信,在大家的共同推动下,细胞、组织器官的冷冻保存工程策略及成果将层出不穷,为再生医学带来蓬勃发展的未来。

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