冻结在时间:检查低温贮藏的最新前沿技术

低温贮藏支撑了几十年来生物医学研究,提供了许多令人兴奋的新机会,包括长期储存的细胞,组织和器官的治疗应用。

“低温贮藏是生物材料的保存在很低的温度下,”描述罗马鲍尔博士萨里大学的讲师是谁开发的计算和统计模型的组织变化过程,如低温贮藏。

商店等生物材料分子的能力,细胞或组织在零度以下的温度长时间里具有深远的应用在生物学和医学。

“有三个主要领域,目前推动低温贮藏技术的进步,”说教授马修·吉布森来自华威大学化学系。”一个是细胞疗法的发展,在癌症治疗已经显示巨大的承诺。另一个是在信使核糖核酸疫苗的储存和运输,异军突起,在大流行期间。最后一个领域是使用低温贮藏促进生物医学研究,特别是帮助减少使用动物进行药物测试。”

进一步展望未来,先进的低温贮藏技术还提供了潜在的医学帮助解决一个重大的挑战。

“圣杯将器官移植,”鲍尔说。“它可以拯救很多生命,如果您可以存储捐赠的组织或器官,直到找到合适的接收方。”

但也有巨大的挑战需要克服释放低温贮藏的全部潜力。这些包括协议的扩大到更大的体积和减轻冷冻保存剂的毒性作用(或“冷冻保护剂”)在降温和复温过程中使用。

一个平衡

几个挑战发生在细胞低温贮藏和复温过程中冷却。造成的损失不同温度之间的过渡是驱动,直接或间接,冰晶的形成。

“你必须把事情冷,让他们冷,然后你必须温暖起来,在每一个阶段的压力下的细胞是不同的,”吉布森。

目前,低温贮藏的主要有两种方法:冷冻和玻璃化。

“在冻结,你必须处理冰晶的形成,可以是致命的,”鲍尔说。“但在玻璃化——这涉及到样品的固化成玻璃态——你需要使用相对高浓度的冷冻保护剂,这往往是有毒的。”

古典冻结期间,样品正在慢慢冷却速度控制,造成冰晶形成细胞外空间的组织,它可以破坏细胞膜或细胞外结构。但水流的细胞样品冷却,防止细胞内冰的形成。

“使用冷冻保护剂可以规避任何损害引起的细胞外冰晶形成冻结期间,“描述鲍尔。”和细胞内冰晶形成的机会大大减少,因为脱水过程。”

低温贮藏后复温样品也需要进行精心控制的方法来防止损坏细胞或组织,可以冻结或玻璃化后发生。在这个过程中,冰会发生再结晶,冰晶生长并导致细胞损伤和接触冷冻保护剂可以有问题。

“如果你暴露你的样品冷冻保护剂太久,他们会导致中毒,”吉布森说。”之间有一个微妙的平衡其有效性对防止寒冷和损伤可能导致在更高的温度。”

规模的挑战

最常用的冷冻保护剂二甲亚砜(DMSO)和甘油,它被发现有防冷冻的影响超过60年前,已经被证明是非常有效的研究和临床应用。

“原因这两个分子仍然今天如此广泛的使用,因为它们的工作,”吉布森兴奋地说。

DMSO通常用于存储的哺乳动物细胞——包括永生化细胞系、干细胞和细胞疗法,而甘油往往是用于血红细胞的冷冻保存,蛋白质,微生物或卵子和精子生育治疗。尽管其效用,一些细胞类型仍然具有挑战性的同行和恢复——包括人类胚胎干细胞。和几个挑战仍需克服更大的保护,更复杂的样品,如先进细胞模型,组织和器官。

“细胞或小细胞聚集体,你可以相对容易地分散在不同”,吉布森说。“但那是更难实现当你处理更大的卷。”

热梯度是另一个重大挑战,尤其是在更大的样本。

“如果你把一个冰棍在浴缸里,它会融化从外而内,中间将冻结停留很长时间,”吉布森解释道。热梯度“你面临同样的问题,当你试图再一个器官,它也是相同的,当你想冻结它。”

另一个长期存在的挑战是控制冰成核——水解决方案倾向于过冷温度低于熔点的优化,特别是在较小的体积,增加致命的胞内冰形成的机会。

“人们开始思考这整个问题的各种细胞的脸在这个冻结过程和生物物理过程,”吉布森说。“一些挑战是非常重要的。”

创新在低温贮藏

近年来,研究人员开始采用理性的设计方法,发现并应用新的化学低温贮藏的工具,可以帮助减轻损害途径不像DMSO解决常见的冷冻保护剂。各种创新的代理正在开发,包括冰再结晶抑制剂,大分子冷冻保护剂和细胞凋亡抑制剂。其他物质可能有助于减少所需的浓度和/或中和一些不同种类的毒性。

“在十年前,人们开始问我们是否可以设计分子与先进的功能,传统方法不解决,”描述了吉布森。

吉布森的团队开发了一种合成高分子冷冻保护剂,使细胞生长在多井的常规低温贮藏盘子,可以解冻和“化验准备”在24小时内,为药物发现提供可能改变细胞培养和测试,减少动物在生物医学研究的必要性。在另一项研究中,他们发现,使用可溶性细胞外化学成核剂显著提高模型先进细胞的冷冻保存结果通过减少胞内冰的形成。

Nanowarming是另一个创新的新方法,利用磁性纳米颗粒,使甚至和快速复温后玻璃化——显示有前景的结果改善的结果复温陶瓷低温存储组织在较大的样本册。

但优化低温贮藏协议仍很大程度上依赖于一个试错的实验过程,既费时又昂贵。

“问题当你考虑数量的增加呈指数增长参数参与——包括冷却速度,选择要使用的冷冻保护剂浓度,当管理他们,”鲍尔解释道。

应对这一挑战,研究人员正在对应用先进的计算机模拟生成假设可以测试实验系统。

“这些项目将反复提炼,直到最后,我们可以产生更强大的低温贮藏的协议,”鲍尔说。

变革的潜力

低温贮藏仍是生物医学研究的一个基本工具,但仍需克服许多挑战,保护珍贵的生物样本为各种不同的应用程序。

“低温贮藏是供应链的一个基本组成部分——从细胞疗法,信使核糖核酸疫苗药物发现,”吉布森说。“但是如果我们后退几步,任何好处或简化我们可以沿途介绍这些过程可以带来大的收益。这就是为什么我觉得这令人兴奋。”

但解决的挑战来自低温贮藏技术的复杂性需要一个跨学科的方法之间的医学、生物学、生物信息学、化学和物理。

“我是计算生物学家在实验和理论生物学之间的接口工作,”鲍尔说。”计算方法已经彻底改变了生物学的许多其它方面,我认为我们现在可以做同样的事情在低温贮藏。”