破解生物「冷凍-復活」的神奇密碼
在各類科幻作品中，「冷凍—復活」的設定是一個很常見的橋段，如在著名的漫威系列電影中，美國隊長這一角色的人物設定，就是在二戰時期被冷凍於冰川之中，直到70年之後再次被人發現，從而解凍復活。那麼，這種神奇技術真的存在嗎？近日，松山湖材料實驗室仿生控冰冷凍保存材料團隊負責人王健君研究員接受專訪，詳細介紹了生物材料凍存的機制原理，以及該團隊在卵母細胞凍存等方面取得的研究進展。
器官移植催生生物材料凍存研究
在仿生冷凍團隊實驗室內，專用的冷凍冰箱、生物液氮罐、程控降溫儀等設備陳放其間，王健君研究員小心地從液氮罐中取出了冷凍在其中的疫苗樣本。通過該團隊掌握的低溫冷凍技術，可以使疫苗在低溫下保存更長時間，並且解凍後仍然具有活性。
「器官移植技術催生了對生物材料冷凍保存技術的研究。上世紀六七十年代就已經出現器官移植技術，但是直到2017年，所有器官衰竭需要進行移植的人當中，只有不到2%可以完成手術，一個重要原因涉及到器官是否能長時間保存的問題。」王健君介紹，理論研究發現器官在零下140℃以下可以實現長期保存，然而現有技術下，器官通常只能保存在4℃左右的環境，最長保存20多個小時。
對於器官移植來說，從供體到受體，存在匹配、檢測、運輸、移植等多個環節，20多個小時實際非常緊張。一方面如果檢測不匹配，器官短時間內無法找到新的合適受體，將會被廢棄；另一方面，即使短時間內移植成功，但是由於檢測不充分，排異等不良反應的風險也大大增加。
在此次抗擊新冠肺炎疫情中，採用了一種幹細胞療法，將幹細胞植入危重病人體內，用以修復被損害的細胞組織。王健君介紹說，這種療法要大面積推廣應用，也必須有凍存技術支持，從製備到注射之前，要實現大量凍存。
雖然有著重要的應用領域，然而生活經驗告訴我們，將一個活體低溫冰凍之後，會變成僵硬的凍塊，解凍之後會失去活性。這是由於不受控制的冰晶在形成和生長過程中，會對細胞造成損傷。那麼該如何解決這一問題呢？
「傳統方法是加一些特殊的『鹽』，比如說有一種分子叫二甲基亞碸，它跟水結合的能力強，可以跟冰競爭水，減少細胞內冰晶的形成，從而有效地保護細胞。」不過，王健君表示，這種方法存在兩個明顯弊端，一是在零下140多度的低溫下想達到效果，需要添加的分子濃度高達50%-60%，很難找到符合條件的材料；二是向細胞中添加如此多的物質，也會一定程度破壞細胞原有的結構，而如二甲基亞碸有一定的毒性。
向自然界尋求「凍而不僵」的秘密
既要能使細胞長時間安全冷凍，又要能恢復活性，似乎進入了一個死胡同。這時候，研究團隊將目光投向了自然界。
在自然界，如北極、南極，有很多生物在低溫下可以正常生存。「2013年12月，我們在新疆沙漠找到一種甲蟲，在零下30多度的低溫下，把它從雪裡拿出來放在我手上，幾分鐘後這隻蟲子就開始動起來了。」王健君舉例道，還有阿拉斯加的一種樹蛙，在零下30度、甚至零下50度都活得很好。不同地區、不同低溫下，都發現了類似的神奇現象。
自然界生物凍而復生的「密碼」，正是生物體內「抗凍蛋白」和「冰晶核蛋白」的相互作用，它們可以控制冰晶的形成和演變，使生物體免受冰凍傷害。
如果說過去加「鹽」阻止結冰的傳統方法，是治水時採取「堵」的策略，那麼通過抗凍蛋白對冰晶的生長進行控制，則是「疏」的策略，這為研發凍存材料摒棄二甲基亞碸等有毒試劑提供了思路。
實際上，早在上個世紀，控冰蛋白就已被人發現，但是關於它究竟如何控制冰核形成的機制仍不明朗。「沙漠甲蟲體中存在的高活性抗凍蛋白和冰晶核蛋白兩類控冰蛋白，表面的化學性質都是差不多的，唯一的區別就是尺寸不一樣，但是對冰核形成的效果完全不同。」王健君稱，學術界另一個爭論，在於高活性抗凍蛋白究竟是親水還是親冰。
針對這兩個關鍵問題，研究團隊開展了一系列深入研究。他們以氧化石墨烯材料為「尺子」，在納米級別控制材料的尺寸，研究了尺寸納米材料對冰晶成核的影響，首次在實驗探測到臨界冰核的尺寸。另一方面，經過六七年的持續研究，他們發現抗凍蛋白兩個面具有不同的性質，一面親水，另一面親冰，從而刷新了學界對這一問題的認識。
「抗凍蛋白可以在水和冰之間形成一堵均勻的牆，每一個蛋白都起到了控冰作用。如果人工去合成這種控冰材料的話，就能讓每個材料分子都能發揮作用。這是研發控冰凍存試劑的目標，因為畢竟要把它用到人體內，希望這類外來物質越少越好。」
新型凍存材料顯著提升卵母細胞存活率
釐清了冰的成核以及生長機制，仿生凍存團隊開展了後續眾多應用研究。「我們在松山湖開展的工作方向之一，就是輔助生殖治療技術中不可或缺的生殖細胞凍存試劑的研發。社會上對於凍卵還存在一定爭議，一個重要原因就是凍卵的安全性問題。」王健君表示。
過去人們已經實現對多種動物細胞和組織的冷凍保存，如血細胞、精子、胚胎、皮膚、幹細胞、胰腺組織等。但是，卵母細胞的數量少、體積大，在低溫保存過程中易受到冷凍損傷而失去繁殖功能，因此，卵母細胞的凍存研究始終是國際生殖輔助技術的難點與熱點。
「卵母細胞尺寸大約150微米，頭髮絲的1.5倍左右，個頭大、含水多，很難凍存。之前我國的凍存液要從美國、日本購買，但是這些傳統的凍存液含有二甲基亞碸分子，會對細胞帶來損傷。」
項目團隊以小鼠卵母細胞或胚胎為研究對象，採用篩選出的冷凍保存材料配方方案進行凍存實驗，評測卵母細胞或胚胎凍存後的復甦率，以及復甦2小時後的存活率等指標。初步研究結果表明，團隊創製的仿生控冰冷凍保存材料一方面二甲基亞碸含量為零，大大降低了材料毒性；另一方面，卵母細胞存活率等各項指標與國外知名企業同類產品相比，均具有顯著提高。
打造從研發到產業轉化的成熟平臺
「我們研究出的這套卵母細胞凍存試劑，是全世界唯一的。做材料研究的人，總會希望研製的材料實現真正的應用。」王健君表示，圍繞卵母細胞凍存，團隊已經申請了23個專利，國際專利4項，初步建立起了領先行業的技術門檻和競爭優勢。
目前，該團隊正依託松山湖材料實驗室加快進行產業轉化，搭建起產品中試生產線，希望能於年底得到中試樣品，進一步向市場推廣。
仿生控冰冷凍保存材料團隊目前有8名成員，在創新樣板工廠18支隊伍中並不算大，不過，王健君對於團隊發展有著長遠打算。「我希望我們團隊不僅僅是做卵母細胞凍存這一件事，而是打通從研究到轉化的鏈條，形成一個平臺體系。未來有更多的研究項目，有意義的發明，都可以通過這個平臺實現產業轉化。」
對於松山湖材料實驗室為團隊工作開展提供的支持，王健君十分認可：「這個平臺對知識的尊重度非常高，給我們的研究很高的自由度，有一個寬鬆的發展空間，讓我們能充分發揮各自優勢，團隊每個人都能放手去做，而不必在一些細節上消耗精力。」
除了卵母細胞凍存試劑向產業化快速推進外，研究團隊還將目光投向了技術難度更大的器官凍存，「我給自己5年左右時間，實現簡單組織的成功凍存，比如眼角膜、卵巢組織凍存等。如果能進一步與不同領域的科學家合作，實現心肺等器官的成功凍存，將是很有意義的一件事。」
【採寫】陳啟亮
【攝影】孫俊傑
【視頻】孫俊傑 陳啟亮
【作者】 陳啟亮；孫俊傑
【來源】 南方報業傳媒集團南方+客戶端