3种新型抗冻材料应用于配子及胚胎冷冻保存的研究进展

2.2.3 调节物理场的纳米材料    纳米材料通过改变外部物理场可调节冰晶的形成，如电场和磁场等。在冷冻保存复温的过程中，难以产生足够快的加热速率，不能最大限度地减少重结晶诱导的细胞内冰晶形成，是成功玻璃化的主要障碍之一。磁性纳米粒子具有生物相容性、超顺磁性等多种特性，当暴露于交流磁场时，它们可以迅速加热，并且均匀地分布，在脱水和重结晶过程中抑制结冰，从而防止细胞膜损伤。研究发现，在Fe3O4纳米材料介导的磁感应加热条件下，玻璃化人脐带基质间充质干细胞的存活率显著提高。近年来，具有光热转换效应的纳米材料也被应用于玻璃化冷冻快速复温。金纳米棒应用在斑马鱼胚胎的冷冻保存中，可以使胚胎快速复温，减少冷冻损伤。因此，纳米材料作为一种功能材料，大大改变了传统的低温冷冻保存的研究方法，推动了冷冻保存研究的发展。

2.2.4 纳米材料的局限性    虽然纳米材料在生物医学领域已经广泛应用，但其也存在一些缺陷。首先，纳米材料的制备过程比较繁琐，在制备过程中需要精确地控制温度和溶剂等多个重要参数，在此过程中一旦出现偏差将导致合成失败。其次，纳米材料的安全性也存在一定 争议。一些研究表明，部分纳米材料的针状形态会对细胞膜造成损伤，还会造成氧化应激等损伤。因此，对纳米材料的研究和创新还需进一步探索。

2.3 聚合物

聚合物冷冻保护剂由于其高分子量、毒性低、生物相容性良好等特点，较传统冷冻保护剂具有潜在优势。受抗冻蛋白的抗冻机制启发，研究者将多种大分子聚合物、小分子聚合物和聚两性电解质用于配子及 胚胎的冷冻保存。最早在2003年，研究人员发现小分子碳水化合物具有冰重结晶抑制活性，具有抑制冰生长的作用。近些年有研究发现了小分子的N-芳基-D醛酰胺可以降低造血干细胞和祖细胞冷冻损伤。大分子聚合物在冷冻保存过程中的应用更为广泛。聚乙烯吡咯烷酮是一种非离子型高分子化合物，其在抑制冰生长方面具有巨大的潜力。关于精子冷冻保存的研究发现，与甘油冷冻精子相比，聚乙烯吡咯烷酮可显著降低冷冻精子的DNA碎片率，聚乙烯吡咯烷酮冷冻精子受精后的卵母细胞卵裂率和囊胚率更高。聚乙烯吡咯烷酮在山羊卵母细胞、小鼠卵母细胞和小鼠胚胎的冷冻保存过程中均可以起到抗冻作用。除了聚乙烯吡咯烷酮以外，聚脯氨酸同样可以对配子及胚胎起到抗冻作用。研究发现，与单独使用二甲基亚砜相比，聚脯氨酸可以提高细胞的冷冻保存后活力恢复。在冷冻液 中添加50 mmol/L低聚脯氨酸可以取代约1.8 mol/L的二甲基亚砜和甘油，冻融卵母细胞的存活率从95.93%提高到99.11%。此外，单链上同时含有负电荷和正电荷基团的聚两性电解质也可以作为一种低毒性的新型冷冻保护剂，成为为良好的抗冻蛋白类似物，并已成功用于不同类型干细胞和血液中红细胞等样本的冷冻保存。聚两性电解质的结构对冷冻保护效果至关重要。其中，阳离子与阴离子的比例为1:1的聚电解质表现出最大的冰重结晶抑制效率。有研究表明，在聚两性电解质中引入疏水基团可以提高其冷冻效率。但也有研究显示相反的结果，即疏水基团的加入降低了细胞存活率。因此，疏水基团对聚两性电解质的冷冻作用还需要进行更深入研究。综上所述，聚合物可以对配子及胚胎的冷冻保存起到有益作用。

3 小结与展望

冷冻保存技术是当前实现生物样品长期存储的有效手段。精子、卵母细胞和胚胎的冷冻保存是一项重要的种质资源保存策略，该技术的快速发展将有助于保存和改良动物基因，保证物种多样性，维持动物的生殖能力，增加辅助生殖技术的可行性以及保护珍稀濒危动物等。近年来，受到自然界中耐寒生物的启发，已经开发出了多种新型抗冻材料，包括抗冻蛋白、纳米材料和聚合物。经过大量研究证明，这些抗冻材料能够显著提高冷冻保存后配子及胚胎的质量，并克服了传统抗冻保护剂对配子及胚胎存在毒性的缺点。然而，尽管新型抗冻材料已经取得了一定成果，但在实际生产中广泛应用仍然面临一些挑战。抗冻蛋白的结构与其控制冰性能之间的关系仍需进一步深入挖掘，纳米材料的抗冻机制尚未完全阐明，新型抗冻材料在卵母细胞和胚胎中的应用尚不普遍。在未来的研究中，应继续努力探索新型抗冻材料的抗冻 机制，重点解决其生物安全问题，并积极推动新型抗冻 材料的广泛应用。随着对配子及胚胎冷冻保存的更深入探索，将有更多低毒及无毒的抗冻材料被开发，以防止冰晶形成和降低冷冻保护剂毒性，达到配子及胚胎冷冻 保存后的高存活率和高质量的目的。

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