Part1. 低溫冷凍保存的應(yīng)用

不知道大家看沒看過或聽過《三體》這個小說呢？ 其中有個情節(jié)還蠻影響深刻的。三體第二部黑暗森林中出現(xiàn)了一種技術(shù)，低溫休眠技術(shù)，即將目標(biāo)速凍保存，等待數(shù)個世紀(jì)后高度發(fā)達的人類科技將目標(biāo)喚醒。 然而利用低溫休眠進行人類活動并不是《三體》才出現(xiàn)的，在《越空狂龍》《星際穿越》《深空失憶》等一些經(jīng)典的科幻作品中，都出現(xiàn)此類技術(shù)。

雖然他們的叫法不同，但具體的操作描述大概都一樣，是指在極短的時間內(nèi)，將人冷凍在極低的環(huán)境下，使代謝停止，無限延長生命周期。

低溫休眠技術(shù)代表著我們對未來無線的遐想，包括延長壽命、星際旅行，絕癥治療等。早在1972年就成立了Alcor基金會，該基金會在1976年進行了*人體冷凍術(shù)，該機構(gòu)為早成立的人體冷凍組織機構(gòu)。目前，已為100多人進行冷凍術(shù)。美國《財富》雜志稱，Alcor的客戶包括很多億萬富翁，他們向基金會捐贈大量資金，資助其研究人體冷凍技術(shù)。

但就現(xiàn)實層面而言，目前低溫生物學(xué)的發(fā)展還難以達到想科幻電影中的那樣完整個體的保存，更多的還是單體的細(xì)胞層面，比如胚胎、干細(xì)胞、哺乳動物細(xì)胞、精子、抗體、組織切片和嚙齒動物器官等。

講了這么久低溫生物學(xué)的應(yīng)用，那么低溫生物學(xué)的確切定義究竟是什么呢？

低溫生物學(xué)(cyrobiology)是研究低溫對生物所產(chǎn)生的影響及低溫在與生物有關(guān)的各個領(lǐng)域中應(yīng)用的科學(xué)。它包括的內(nèi)容十分廣泛,幾乎所有在低于正常(生物適于生存的)溫度下進行的與生物有關(guān)的實驗研究或理論探索都屬于低溫生物學(xué)的范疇。

它不僅保存我們剛剛科幻電影中提到的人體超低溫冷凍保存，也包括冷鏈?zhǔn)称罚呙绲取?/span>

主要可以概括為以下4個方面:

• 采用低溫科技治療疾病或者生產(chǎn)藥物

• 研究低溫條件下保存(保鮮)用作食物的生物材料

• 研究利用低溫條件保存活的生物材料(包括細(xì)胞、組織、器官,胚胎、甚至整個生物體)

• 以及研究低溫條件下生物的生命過程所受到的影響及生物對這類影響的適應(yīng)機制

Q：低溫為什么可以進行生物樣品的保存？

主要是因為：水份是生物樣品里的主要成份，而在深低溫，即溫度低于-８0℃，水存在晶體狀態(tài)和玻璃態(tài)２種物理方式。而從熱力學(xué)角度分析，水的這２種狀態(tài)的水分子都具有很高的粘度，并且?guī)缀醪粫U展。水的這個在深低溫下幾乎不會擴散的特性為生物樣品的低溫保存提供了可能。

 Part2. 低溫冷凍保存的方法

之前提到深低溫狀態(tài)下水存在的晶體狀態(tài)和玻璃態(tài)２種狀態(tài)，低溫保存也同樣分為慢速降溫和快速降溫（玻璃化）２種方式。

慢速降溫保存通常采用“兩步法”，即首先將生物樣品采用某個較慢的降溫速率降溫到－８０°Ｃ并維持一段時間，然后第二步再將己經(jīng)處于－８０°Ｃ狀態(tài)的生物樣品直接投入液氮罐里-１９６°Ｃ）進行深低溫的長期保存。慢速降溫法的實質(zhì)是使用較慢的降溫速率，使得降溫過程中細(xì)胞內(nèi)的水逐漸脫離細(xì)胞，以達到減少細(xì)胞內(nèi)冰晶形成的概率的目的，從而提高細(xì)胞的存活率。他的優(yōu)勢是所用的冷凍保護劑濃度較低，只需要3%-20%左右，但容易造成冷損傷和滲透壓失衡。

快速降溫保存，即玻璃化方法就是用高濃度的冷凍稀釋液,以極快的速率降溫,使溶液內(nèi)沒有足夠的時間形成冰晶核就直接轉(zhuǎn)變成無形態(tài)的玻璃樣固體的過程。此方法的優(yōu)點是不用的程序控制降溫儀,操作簡便、快速,減輕損傷,但是由于在降溫過程中需要加入大量的冷凍保護劑，高達40-60%v/v,這些冷凍保護劑往往存在一定毒性會殺死內(nèi)部細(xì)胞，同時由于玻璃化過程中為了確保整個生物樣品的內(nèi)部和外部均能實現(xiàn)快速降溫，需要減少樣品的尺寸、以及增加和外界超低溫環(huán)境（比如液氮）的接觸面積。因此這種暫時只適用于小尺寸、小計量生物樣品的保存，僅有ul單位。所以，目前大家還是通常采取慢速降溫進行低溫保存。