一、低溫冷凍保存的應用

不知道大家看沒看過或聽過《三體》這個小說呢？

其中有個情節還蠻影響深刻的。三體第二部黑暗森林中出現了一種技術——低溫休眠技術，即將目標速凍保存，等待數個世紀後高度發達的人類科技將目標喚醒。

然而利用低溫休眠進行人類活動並不是《三體》的獨創，在《越空狂龍》《星際穿越》《深空失憶》等一些經典的科幻作品中，都出現此類技術。

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，將人冷凍在極低的環境下，使代謝停止，無限延長生命週期。

低溫休眠技術代表著我們對未來無線的遐想，包括延長壽命、星際旅行，絕症治療等。早在1972年就成立了Alcor基金會，該基金會在1976年進行了首例人體冷凍術，該機構為最早成立的人體冷凍組織機構。目前，已為100多人進行冷凍術。美國《財富》雜誌稱，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。

但就現實層面而言，目前低溫生物學的發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胞層面，比如胚胎、幹細胞、哺乳動物細胞、精子、抗體、組織切片和囓齒動物器官等。

講了這麼久低溫生物學的應用，那麼低溫生物學的確切定義究竟是什麼呢？

低溫生物學(cyrobiology) 它包括的內容十分廣泛，幾乎所有在低於正常(生物適於生存的)溫度下進行的與生物有關的實驗研究或理論探索都屬於低溫生物學的範疇。

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，也包括冷鏈食品，疫苗等。主要可以概括為以下4個方面:

• 採用低溫科技治療疾病或者生產藥物
• 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機制

Q：低溫為什麼可以進行生物樣品的保存？

主要是因為：水份是生物樣品裡的主要成份，而在深低溫，即溫度低於-８0℃，水存在晶體狀態和玻璃態２種物理方式。而從熱力學角度分析，水的這２種狀態的水分子都具有很高的粘度，並且幾乎不會擴展。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。

二、低溫冷凍保存的方法

之前提到深低溫狀態下水存在的晶體狀態和玻璃態２種狀態，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。

慢速降溫保存通常採用“兩步法”，即第一步先將生物樣品採用某個較慢的降溫速率降溫到 -80℃並維持一段時間，然後第二步再將己經處於 -80℃狀態的生物樣品直接投入液氮罐裡（ -196℃）進行深低溫的長期保存。慢速降溫法的實質是使用較慢的降溫速率，使得降溫過程中細胞內的水逐漸脫離細胞，以達到減少細胞內冰晶形成的概率的目的，從而提高細胞的存活率。他的優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,使溶液內沒有足夠的時間形成冰晶核就直接轉變成無形態的玻璃樣固體的過程。此方法的優點是不用的程式控制降溫儀,操作簡便、快速,減輕損傷,但是由於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部細胞，同時由於玻璃化過程中為了確保整個生物樣品的內部和外部均能實現快速降溫，需要減少樣品的尺寸、以及增加和外界超低溫環境（比如液氮）的接觸面積。因此這種暫時只適用於小尺寸、小計量生物樣品的保存，僅有ul單位。所以，目前大家還是通常採取慢速降溫進行低溫保存。

剛剛提到的冷凍保護劑又是什麼呢？它主要用於在低溫保存生物樣品過程中降低細胞的冷損傷。目前，常用的冷凍保護劑主要分為滲透性的低溫保護劑和非滲透性的低溫保護劑２大類。

滲透性的低溫保護劑是指在低溫保護劑添加到細胞懸浮液後，可以滲透到細胞膜內部的來置換出細胞的水分。滲透性低溫保護劑主要有甘油、DMSO、丙二醇、乙二醇等。

非滲透性低溫保護劑是指不能滲透到細胞膜內部。常見的非滲透性低溫保護劑有海藻糖、葡聚糖等。此外近年來，也經常使用抗凍蛋白作為新型的低溫保護劑。

【未完待續~下集→低溫冷凍保存技術研究（二）】