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。生物體內一切新陳代謝過程中的變化,雖然由酶催化而表現出多種特殊形式但仍然都服從于某些共同的物理化學規律。

細胞和組織在降溫和復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溫過程中受溶液凍結、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生在0~-60℃這段溫度范圍內,我們稱這個溫度范圍為“危險溫度區"。

為了實現細胞的低溫保存,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,設計特定的降溫程序和復溫程序等。沒有上述特定的條件,細胞在降溫、復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;細胞內、外的溫度和濃度都是相同的。也就是細胞內外處于等溫和等滲狀態

在冷卻過程中,根據傳熱的原理,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的冰，致使胞外的液體溶液的濃度升高。這樣,細胞內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的驅動力。

1.冷卻速率相對過高的過程

在冷卻過程中,胞外溶液開始結冰時,胞內的水分來不及通過細胞膜滲向胞外,這樣胞內溶液也會過冷,產生胞內冰。

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

2.冷卻速率相對過低的過程

在冷卻過程中,胞外溶液開始結冰時,胞內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:胞內溶液的濃度也不斷增加,但沒有胞內冰形成。

這個過程的特點是在凍結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歷的時間過長。這些都會導致細胞的損傷以至死亡。這種損傷被稱為“溶液損傷"或“溶質損傷"。