冷凍復(fù)蘇技術(shù)課件

冷凍復(fù)蘇技術(shù)概述

Spallanzani（1776）最早發(fā)表了冷“處理”對(duì)“細(xì)胞”生命活動(dòng)影響的報(bào)道，他用雪冷凍玻璃瓶中的馬精子10多分鐘之后，再將玻璃瓶放回室溫下，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚奇的現(xiàn)象，那些原本已經(jīng)不動(dòng)了的精子又“復(fù)活”了，就好象是剛從輸精管排出來(lái)的一樣，冷處理延長(zhǎng)至數(shù)十分鐘，情況依然如此。于是，他認(rèn)為冷不能殺死精子。大約100年以后，許多早期的學(xué)者重復(fù)了低溫處理對(duì)精子活動(dòng)的影響，同樣得出了相似的結(jié)論。到1900年前后，科學(xué)家基本上肯定了生物成分（如精子和一些生物化學(xué)物質(zhì)）能夠在零下溫度貯存的事實(shí)。Shettles（1940）證明人類的精子也能抵抗溫度的突然變化，他將人的精液封閉在小管內(nèi)，在-790C～-1960C之間的低溫條件下進(jìn)行冷處理，發(fā)現(xiàn)有10%的精子仍然能夠存活。此后，冷凍處理研究材料的范圍大大拓展。Polge等人（1949）發(fā)現(xiàn)了甘油對(duì)低溫下貯存的細(xì)胞具有保護(hù)作用，他們?nèi)匀灰跃舆M(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，加入甘油能夠大大提高貯存于-790C下精子的存活率。接下來(lái)的重大進(jìn)展是Luyet（1951）與Lovelock（1953）等多位學(xué)者發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)濃度對(duì)貯存細(xì)胞的損傷作用。他們的結(jié)論是，電解質(zhì)濃度增大是造成貯存細(xì)胞損傷的主要原因。冷凍理論后來(lái)得到Merryman（1956）、Rey（1957）以及Smith（1961）等學(xué)者的繼續(xù)和發(fā)展。1949年至1960年這一段時(shí)間可以稱為冷凍保存的“甘油時(shí)期”，這一時(shí)期對(duì)生物材料的冷凍保存一般都是以甘油作為保護(hù)劑。Lovelock（1959）等人發(fā)現(xiàn)了一種新的化學(xué)保護(hù)劑，這就是人們熟悉的二甲基亞砜（DMSO）。而且，用于冷凍保存的儀器也有明顯的發(fā)展。目前，無(wú)論是冷凍保存理論、各種保護(hù)劑、冷凍用品和設(shè)備以及各種生物材料的保存與復(fù)蘇技術(shù)都已十分成熟和完備。冷凍保存與復(fù)蘇原理

在低于-700C的超低溫條件下，有機(jī)體細(xì)胞內(nèi)部的生化反應(yīng)極其緩慢，甚至終止。因此，采取適當(dāng)?shù)姆椒▽⑸锊牧辖抵脸蜏?，即可使生命活?dòng)固定在某一階段而不衰老死亡。當(dāng)以適當(dāng)?shù)姆椒▽龃娴纳锊牧匣謴?fù)至常溫時(shí)，其內(nèi)部的生化反應(yīng)可恢復(fù)正常。所謂冷凍保存，就是將體外培養(yǎng)物或生物活性材料懸浮在加有或不加冷凍保護(hù)劑的溶液中，以一定的冷凍速率降至零下某一溫度（一般是低于-700C的超低溫條件），并在此溫度下對(duì)其長(zhǎng)期保存的過(guò)程。而復(fù)蘇就是以一定的復(fù)溫速率將凍存的體外培養(yǎng)物或生物活性材料恢復(fù)到常溫的過(guò)程。不論是微生物、動(dòng)物細(xì)胞、植物細(xì)胞還是體外培養(yǎng)的器官都可以進(jìn)行凍存，并在適當(dāng)條件下復(fù)蘇。水在低于零度的條件下會(huì)結(jié)冰。如果將細(xì)胞懸浮在純水中，隨著溫度的降低，細(xì)胞內(nèi)外的水分都會(huì)結(jié)冰，所形成的冰晶會(huì)造成細(xì)胞膜和細(xì)胞器的破壞而引起細(xì)胞死亡。這種因細(xì)胞內(nèi)部結(jié)冰而導(dǎo)致的細(xì)胞損傷稱為細(xì)胞內(nèi)冰晶的損傷。如果將細(xì)胞懸浮在溶液中，隨著溫度的降低，細(xì)胞外部的水分會(huì)首先結(jié)冰，從而使得未結(jié)冰的溶液中電解質(zhì)濃度升高。如果將細(xì)胞暴露在這樣高溶質(zhì)的溶液中且時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，細(xì)胞膜上脂質(zhì)分子會(huì)受到損壞，細(xì)胞便發(fā)生滲漏，在復(fù)溫時(shí)，大量水分會(huì)因此進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，造成細(xì)胞死亡。這種因保存溶液中溶質(zhì)濃度升高而導(dǎo)致的細(xì)胞損傷稱為溶質(zhì)損傷或稱溶液損傷。當(dāng)溫度進(jìn)一步下降，細(xì)胞內(nèi)外都結(jié)冰，產(chǎn)生冰晶損傷。但是如果在溶液中加入冷凍保護(hù)劑，則可保護(hù)細(xì)胞免受溶質(zhì)損傷和冰晶損傷。因?yàn)槔鋬霰Ｗo(hù)劑容易同溶液中的水分子結(jié)合，從而降低冰點(diǎn)，減少冰晶的形成，并且通過(guò)其摩爾濃度降低未結(jié)冰溶液中電解質(zhì)的濃度，使細(xì)胞免受溶質(zhì)損傷，細(xì)胞得以在超低溫條件下保存。在復(fù)蘇時(shí)，一般以很快的速度升溫，1-2分鐘內(nèi)即恢復(fù)到常溫，細(xì)胞內(nèi)外不會(huì)重新形成較大的冰晶，也不會(huì)暴露在高濃度的電解質(zhì)溶液中過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間，從而無(wú)冰晶損傷和溶質(zhì)損傷產(chǎn)生，凍存的細(xì)胞經(jīng)復(fù)蘇后仍保持其正常的結(jié)構(gòu)和功能。冷凍保護(hù)劑對(duì)細(xì)胞的冷凍保護(hù)效果還與冷凍速率、冷凍溫度和復(fù)溫速率有關(guān)。而且不同的冷凍保護(hù)劑其冷凍保護(hù)效果也不一樣。冷凍保存溫度冷凍保存溫度是指能長(zhǎng)期保存細(xì)胞的超低溫度，在此溫度下，細(xì)胞生化反應(yīng)極其緩慢甚至停止，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期保存，在復(fù)蘇后仍能保持正常的結(jié)構(gòu)和功能。不同的細(xì)胞和生物體以及使用不同的冷凍保存方法要取得同樣的冷凍保存效果，冷凍保存溫度可以不同。但從實(shí)際和效益的觀點(diǎn)出發(fā)，液氮溫度（-1960C）是目前最佳的冷凍保存溫度。在-1960C時(shí)，細(xì)胞的生命活動(dòng)幾乎完全停止，但復(fù)蘇后細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能完好。如果冷凍過(guò)程得當(dāng)，一般生物樣品在-1960C下均可保存十年以上。應(yīng)用-700C～-800C保存細(xì)胞，短期內(nèi)對(duì)細(xì)胞的活性無(wú)明顯影響，但隨著凍存時(shí)間延長(zhǎng)，細(xì)胞存活率明顯降低。在冰點(diǎn)到-400C范圍內(nèi)保存細(xì)胞的效果不佳。冷凍保護(hù)劑冷凍保護(hù)劑是指可以保護(hù)細(xì)胞免受冷凍損傷的物質(zhì)。冷凍保護(hù)劑常常配制成一定的溶液。一般來(lái)講，只有紅細(xì)胞、大多數(shù)微生物和極少數(shù)有核的哺乳動(dòng)物細(xì)胞懸浮在不加冷凍保護(hù)劑的水或簡(jiǎn)單的鹽溶液中，并以最適的冷凍速率冷凍，可以獲得活的凍存物。但對(duì)于大多數(shù)有核哺乳動(dòng)物細(xì)胞來(lái)說(shuō)，在不加冷凍保護(hù)劑的情況下，無(wú)最適冷凍速率可言，也不能獲得活的冷凍物。例如將小鼠骨髓細(xì)胞懸浮在不加冷凍保護(hù)劑的平衡鹽溶液中，并以0.3～6000C/min的冷凍速率降溫冷凍，98%以上的細(xì)胞會(huì)死亡；而加入甘油冷凍保護(hù)劑進(jìn)行冷凍保存時(shí)，98%以上的細(xì)胞都可存活。冷凍保護(hù)劑可分為滲透性和非滲透性兩類。滲透性冷凍保護(hù)劑可以滲透到細(xì)胞內(nèi)，一般是一些小分子物質(zhì)，主要包括甘油、DMSO、乙二醇、丙二醇、乙酰胺、甲醇等。其保護(hù)機(jī)制是在細(xì)胞冷凍懸液完全凝固之前，滲透到細(xì)胞內(nèi)，在細(xì)胞內(nèi)外產(chǎn)生一定的摩爾濃度，降低細(xì)胞內(nèi)外未結(jié)冰溶液中電解質(zhì)的濃度，從而保護(hù)細(xì)胞免受高濃度電解質(zhì)的損傷，同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)水分也不會(huì)過(guò)分外滲，避免了細(xì)胞過(guò)分脫水皺縮。甘油和DMSO并不防止細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰，在使用該類冷凍保護(hù)劑時(shí)，需要一定的時(shí)間進(jìn)行預(yù)冷，讓甘油或DMSO等成分滲透到細(xì)胞內(nèi)，在細(xì)胞內(nèi)外達(dá)到平衡以起到充分的保護(hù)作用。目前DMSO的應(yīng)用比甘油更為廣泛，但要注意的是，DMSO在常溫下對(duì)細(xì)胞的毒性作用較大，而在40C時(shí)，其毒性作用大大減弱，且仍能以較快的速度滲透到細(xì)胞內(nèi)。所以，凍存時(shí)DMSO平衡多在40C下進(jìn)行，一般需要40～60分鐘非滲透性冷凍保護(hù)劑不能滲透到細(xì)胞內(nèi)，一般是些大分子物質(zhì)，主要包括聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、蔗糖、聚乙二醇、葡聚糖、白蛋白以及羥乙基淀粉等。其保護(hù)機(jī)制的假說(shuō)很多，其中有一種可能是，聚乙烯吡咯烷酮等大分子物質(zhì)可以優(yōu)先同溶液中水分子結(jié)合，降低溶液中自由水的含量，使冰點(diǎn)降低，減少冰晶的形成；同時(shí)，由于其分子量大，使溶液中電解質(zhì)濃度降低，從而減輕溶質(zhì)損傷。不同的冷凍保護(hù)劑有不同的優(yōu)、缺點(diǎn)。目前一般多采用聯(lián)合使用兩種以上冷凍保護(hù)劑組成保護(hù)液。由于許多冷凍保護(hù)劑（如DMSO）在低溫下能保護(hù)細(xì)胞，但在常溫下卻對(duì)細(xì)胞有害，故在細(xì)胞復(fù)溫后應(yīng)及時(shí)洗滌冷凍保護(hù)劑。

復(fù)蘇速率冷凍保護(hù)體外培養(yǎng)物，除了必須有最佳的冷凍速率、合適的冷凍保護(hù)劑和凍存溫度外，在復(fù)蘇時(shí)也必須有最佳的復(fù)溫速率，這樣才能保證最后獲得最佳冷凍保存效果。復(fù)溫速率是指在細(xì)胞復(fù)蘇時(shí)溫度升高的速度。復(fù)溫速率不當(dāng)也會(huì)降低凍存細(xì)胞存活率。一般來(lái)說(shuō)，復(fù)溫速度越快越好。常規(guī)的做法是，在370C水浴中，于1-2分鐘內(nèi)完成復(fù)蘇。復(fù)溫速度過(guò)慢，細(xì)胞內(nèi)往往重新形成較大冰晶而造成細(xì)胞損傷。復(fù)溫時(shí)造成的細(xì)胞損傷非?？?，往往在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。馬蒂諾特的父親守在妻子的“冰棺”前。冷凍卵子

全球第一例冷凍卵子1986年就在澳大利亞成功妊娠。但由于復(fù)蘇率較低，此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展一直較為緩慢。卵子冷凍的取卵過(guò)程與試管嬰兒的取卵相同，而冷凍方法有程序冷凍法和玻璃化冷凍法兩種，目前一