在研究活細(xì)胞干燥保存的實(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn) - 一種可能具有革命性的冷凍保存替代方案 - 已經(jīng)確定了一個(gè)明確的限制，即繼續(xù)脫水可以殺死細(xì)胞。這些數(shù)據(jù)與分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合，可以深入了解最近干燥保存嘗試的重要加工因素。

“我們所做的是確定了我們的干燥保存方法中的材料限制。我認(rèn)為這種新的理解提出了一些有趣的途徑來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)成功的過(guò)程，”大學(xué)機(jī)械工程教授Gloria Elliott說(shuō)。該研究的作者之一，北卡羅來(lái)納州夏洛特分校。

7月8日出版的“ 科學(xué)報(bào)告”中報(bào)道的這一發(fā)現(xiàn)分析了典型脫水過(guò)程中海藻糖(糖)和水分子的分子排列變化，他們將這些變化用于將細(xì)胞固定在穩(wěn)定的海藻糖玻璃中進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存。

細(xì)胞的干燥保存是一種具有潛在革命性的生物技術(shù)，與目前需要在極低溫度下進(jìn)行維護(hù)的冷凍保存方法相比，它具有一些關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。由于干燥保存可能允許在正常環(huán)境溫度下維持材料，因此干燥保存的細(xì)胞將更便于存儲(chǔ)并且更易于運(yùn)輸，因此可以允許更多的材料堆積并可供使用。

艾略特研究小組正在研究的保存方法包括將細(xì)胞懸浮在稀釋的海藻糖溶液中，然后通過(guò)溫和的微波輔助加熱過(guò)程去除水來(lái)濃縮，以便形成海藻糖玻璃，固定生物分子，類似于冷凍。該技術(shù)由自然界中的各種生物提出，例如鹽水蝦和緩動(dòng)劑(“水熊”)，其響應(yīng)于環(huán)境壓力合成糖并且已知在干燥狀態(tài)下存活多年。

“人們從大自然中研究了這些例子，并發(fā)現(xiàn)它們會(huì)產(chǎn)生大量的糖，特別是海藻糖，”Elliott指出。“在過(guò)去的幾十年里，我們一直在努力學(xué)習(xí)如何做到這一點(diǎn)，并模仿它來(lái)保護(hù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞。”

目前的研究涉及干燥保存T細(xì)胞的嘗試。該方法涉及使用微波能量來(lái)加速?gòu)募?xì)胞質(zhì)中去除水分子，避免海藻糖的結(jié)晶，這會(huì)對(duì)膜和其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成損害。

“我們正在增加溶液的粘度，降低分子的流動(dòng)性，而不會(huì)引起海藻糖結(jié)晶，”Elliott說(shuō)。“但這并不意味著分子上沒(méi)有任何進(jìn)展。有一種氫鍵結(jié)合的海藻糖網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，導(dǎo)致類似固體的特性，這有助于提高基質(zhì)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。”

但研究人員發(fā)現(xiàn)，脫水只能持續(xù)到某一點(diǎn) - 當(dāng)水質(zhì)與其他分子總質(zhì)量的比值接近0.1時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一系列其他效應(yīng)，所有細(xì)胞都會(huì)開(kāi)始死亡。

“我們?cè)诒疚闹锌吹降氖?，在脫水期間，事情發(fā)生了顯著變化，這是一個(gè)相當(dāng)明確的限制，”Elliott指出。“當(dāng)我們嘗試用膜去除有核細(xì)胞并保持全細(xì)胞功能時(shí) - 我們似乎碰到了一堵墻。我們可以干燥，干燥，干燥以降低水分含量，具有良好的生存能力，然后我們達(dá)到特定的水分含量，一切都死了這是一個(gè)非常迅速的衰退。“

殺死細(xì)胞的確切物理過(guò)程無(wú)法檢測(cè)，但研究小組注意到與分子模擬中同一點(diǎn)發(fā)生的過(guò)程的相關(guān)性。

“在分子模擬中，你看到海藻糖簇在脫水過(guò)程中形成。這里我們看到的是，我們看到我們失去細(xì)胞活力的水分含量水平與所有這些小海藻糖簇聚在一起成為海藻糖分子的大網(wǎng)絡(luò)時(shí)一致。 ，“ 她說(shuō)。

“這似乎表明細(xì)胞上存在機(jī)械力。如果所有分子形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)大的簇，那么細(xì)胞將被困在那個(gè)僵化的網(wǎng)絡(luò)中。”

研究人員假設(shè)，鑒于細(xì)胞結(jié)構(gòu)的脆弱性，特別是薄細(xì)胞膜，統(tǒng)一海藻糖網(wǎng)絡(luò)突然轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂詫?duì)細(xì)胞可能是致命的。“當(dāng)最終聚集事件發(fā)生時(shí)，我們可能正在擠壓細(xì)胞或機(jī)械剪切它們，”Elliott說(shuō)。

“這為干燥保存期間細(xì)胞損傷的性質(zhì)提供了一個(gè)新的工作假設(shè) - 在細(xì)胞干燥過(guò)程中，存在一個(gè)臨界水分含量，糖分子網(wǎng)絡(luò)會(huì)僵硬，并可能對(duì)細(xì)胞造成物理傷害，”她說(shuō)。“這是我們可以測(cè)試的一個(gè)假設(shè)，如果網(wǎng)絡(luò)的剛性是問(wèn)題，我們可以采取一些有趣的方法來(lái)解決問(wèn)題。”