温冷冻保存过程中温度对细胞的影响

引言：
低温生物学是研究在低温环境下对生物的生长、发育、遗传等和生命相关生理现象的一门新兴学科，它与我们的生活息息相关。

本文简述低温冷冻保存的六大损伤和造成这些损伤的四种影响因素。

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Part3. 低温冷冻保存过程中温度对细胞的影响
目前，一般把低温对生物细胞所造成的损伤分为以下六个方向，分别是冷损伤、冷休克、低温损伤、渗透损伤、机械损伤及化学损伤。
图3 低温冷冻过程中低温损伤分类

其中最受学者们关注的就是冷损伤和冷休克。
冷损伤是指生物材料(如细胞)在低于正常温度条件下所受到的伤害,它与生物本身的特性、实际的低温温度以及生物材料在低温下所处的时间等有关。
冷休克则是指突然的快速降温对生物材料(如细胞)所造成的损伤,它主要与降温速率有关,而与具体温度关系不大,并被认为主要是由于膜脂的相变所致。
虽然现在还不能确定，胞内冰晶是细胞损伤的原因还是结果，但是细胞损伤确实是与胞内冰晶紧密相关的。
影响胞内冰晶形成的因素很多。有细胞差异性决定的内在因素，有人为可控的外在因素，还有更多未知的潜在因素。目前已知的主要有以下几类：
1、冷适应。细胞冷适应的能力是随着细胞的不同而存在差异的。实验表明，在相同的降温条件下，冷适应能力强的细胞或者组织比冷适应能力弱的，在胞内冰晶发生的概率上要小得多。
2.胞外环境。比如胞外溶液等，与冷适应能力不同，这是可以通过人为方式改变并影响的。不同的胞外冰晶形状会产生不同程度的对细胞的机械作用，从而影响胞内冰晶的成核温度；比如我们之前提到的一些渗透性或非渗透性的冷冻保护剂。但这种保护剂不可过多，因为胞外溶液中的离子浓度的增加会导致跨膜电位的超极化，使得细胞膜不稳定，达到临界值会进而破坏细胞膜，这就是冷冻保护剂所谓的毒性之一
3.热过程。改变细胞所经历的冷冻过程中的若干热参数，包括降温速率、终止温度和保持时间等，这些可以显著影响胞内冰晶形成概率。降温速率的快慢，直接决定了胞内冰晶的发生；每个细胞出现胞内冰晶的临界温度是不同的，当终止温度低于这个值时，对于细胞来说是致命的；在快速冷冻前，细胞在胞外冰晶的环境中保持的时间的长短，对于胞内冰晶成核温度有较大的影响。时间越长，胞内冰晶的数量也会越多；
4.细胞间相互作用。在冷冻组织的过程中，胞内冰晶形成的概率还受到细胞间相互作用的影响。自1975年，不断有科学家证实间隙连接能够加强细胞间的冰晶传播。另一方面，即使细胞不存在间隙连接时，仍然存在冰晶传播，这说明除了间隙连接，还有其他未知的因素。正是这些因素，使得组织冷冻的难度远比细胞要大，冷冻损伤机理也更为复杂。更不要提到直接冷冻生物个体的难度了，这是成几何倍数来增长。
其中冷适应跟细胞本身的特性有关外，胞外环境、热过程、和细胞间的互相运动都属于人为可控的过程。因此学者们也对低温冷冻保存过程中的机理展开了一系列的探究。

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