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

配子及胚胎的冷冻保存是将配子及胚胎在超低温条件下冷冻，达到可以长期保存的目的。冷冻保存技术在种质资源保护、保存和改良动物基因等方面发挥重要作用。由于传统冷冻保护剂具有毒性，目前研究人员正致力于开发毒性低、抗冻效果显著的新型抗冻材料，如抗冻蛋白、纳米材料和聚合物。本文简述了冷冻保存技术的原理及存在问题，综述了3种新型抗冻材料的抗冻机制及应用进展，并从材料工程的角度为冷冻保存配子及胚胎提供一个新的视角，为更多新型材料的开发拓展新思路。

1 冷冻保存的基本原理

冷冻保存过程中发生的各种化学和物理损伤，如过冷休克、高渗休克、冰晶损伤和冷冻保护剂的毒性作用等，是损伤冷冻保存的配子和胚胎的主要原因。在慢速冷冻时，由于细胞内水的化学势高于细胞外冰晶的化学势，大部分细胞内水会排出，细胞脱水，导致细胞外结冰和渗透压被破坏。随着冷却速率的增加，细胞内的水不能快速排出，从而在细胞内形成冰晶刺伤细胞，导 致细胞在冷冻过程中受到致命的冷冻损伤。在冷冻保存的冷冻和解冻过程中，冰晶的形成和生长是导致细胞活 力丧失的主要原因。冷冻保护剂可减少冰晶数量和（或）形状、大小，从而减少对冷冻细胞的损伤。根据是否能渗透到细胞内，目前主要的冷冻保护剂可分为渗透型和非渗透型。渗透型冷冻保护剂包括二甲基亚砜、甘油、乙二醇和丙二醇等。非渗透型冷冻保护剂包括蔗糖、葡聚糖、海藻糖和聚乙二醇等。二甲亚砜和乙二醇等常规的冷冻保护剂可以通过降低溶液的凝固点，影响升温速率和玻璃化转变温度来抑制结冰。但是，玻璃化冷冻需要较高浓度的冷冻保护剂，高浓度的冷冻保护剂又会对细胞产生毒性作用，因此寻找毒性低且抗冻作用良好的新型抗冻材料来替代传统冷冻保护剂是必要的。

2 新型冷冻保存材料

2.1 抗冻蛋白

2.1.1 抗冻蛋白的作用机制    许多生物通过产生抗冻蛋白的独特适应机制，在寒冷环境中保护自身免受冷冻损 伤。在南极和北极地区，由于溶解盐的存在，海水温度一直低于零度。在这种异常寒冷的环境中，许多生物产生的抗冻蛋白可以防止冷冻对自身造成的伤害。抗冻蛋 白的作用之一是将周围水的冷冻温度降低到融化温度以下，称为热滞后活性，这种活性又导致冰重结晶抑制。冰重结晶通过小冰晶的生长产生大冰晶，这对细胞来说 是致命的。然而，抗冻蛋白通过对冰的重结晶抑制活性阻止重结晶过程，起到冷冻保护作用，特别是细胞膜损伤。最近一项研究探讨了抗冻蛋白对冰成核的影响，发现抗冻蛋白具有冰结合面和非冰结合面2个面。当冰结合面暴露于液态水中时，会促进成冰的过程；而当非冰结合面与液态水接触时，则会限制成冰的形成。这一发现在分子水平上阐明了抗冻蛋白调节冰形成的作用机制。抗冻蛋白的物种来源多样化，抗冻蛋白最初在南极鱼类中发现，被用作冷冻保护剂。已知拥有或表达抗冻蛋白的生物包括细菌、昆虫、藻类和鱼类。抗冻蛋白主要分为I型抗冻蛋白、II型抗冻蛋白和III型抗冻蛋白。抗冻蛋白可吸附在冰与水界面的特定表面，改变冰晶的生长速率和形状。例如，I型抗冻蛋白与冰的棱柱面结合，形成六边形双锥形状，而过度活跃的抗冻蛋白与棱柱面和基面结合并产生柠檬形状。III型抗冻蛋白作为球状蛋白，可以结合冰晶的棱柱平面和锥体平面，延缓冰的生长速度。因此，抗冻蛋白已成为冷冻保存中一种很有前途的冰抑制候选者。

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