昨天下午，上海理工大学医疗器械与食品学院院长刘宝林教授做客第38期白泽论坛，带来了《生物样本低温保存技术》主题演讲。低温下的生命有着怎样的奥秘呢？一起来看看吧。
我们通常喜欢待在一个令自己舒适的温度范围，因此，我们会在冬天冲暖饮，夏天吃冰镇西瓜。超过这个范围的温度会令我们感到不适，而当温度不断趋近于极高或极低，我们的生命会完全消逝吗？还是有其他答案呢？
一些动物会在低温下“假死”
加拿大科学家在研究一种树蛙时发现，被霜冻的树蛙，在解冻后又活蹦乱跳的“复活”了。这只树蛙提供了一个“其他答案”，透露出极低温下生命秘密的一角。
那么极低温下的生命究竟是怎样的呢？
生命由细胞组成，细胞再由分子、原子组成，这些分子、原子的运动也就是我们生命活动的基础。而这些微观粒子的运动与温度密切相关，当温度降至一定温度下，这些粒子运动会逐渐减慢甚至停止（这一温度称为“绝对零度”，也是原子所能达到的低温极限），与之相对，我们的各项生命活动也会随之减缓，这便是低温科学的理论起点。
人们对“低温延长生命”的探索
低温之下，运动变得缓慢，相比之下，时间被无限的放大。因此，人们将冻结视为一种延长生命的方式。在科幻作品中，主人公常常是在低温深眠下穿过遥远的宇宙光年、或是漫长的末日长夜。
现实中，也有人选择了使用低温冷冻来延长自己的生命。美国的阿尔科基金会已经冷冻了一百多具“人体”，其中不乏各界名人，他们在生命临界终点时，被冷藏起来，等待在未来某一天“苏醒”。但这些人是否能够真的“复活”，没有人知道，因为现在为止还没有实施过这些低温人体的复苏。
低温技术在医学的应用
虽然“冷冻人体”听起来仍过于玄幻，但在医疗领域，低温技术距离我们其实并不遥远。目前，低温存储在临床上多应用在细胞层面，随着细胞医疗兴起，细胞作为一种新型式的药物逐渐被应用在免疫性疾病、恶性肿瘤等疾病的治疗当中。
但有别于传统化学药物，细胞作为一个有活性的生命体，其疗效往往需要建立在有效的存储之上，这就需要低温技术的介入了。
低温存储的难点是水
我们常说“没有水就没有生命”，水的独特性质使其成为众多生命活动的基础，如水良好的介电性、高值的比热容。但水在低温下冻结，却是细胞存储面临的主要问题。
1972年，Peter Mazur提出，细胞在冷冻过程中面临两大损伤，即“胞内冰损伤”与“溶质损伤”。
从上面不同冷却速率下细胞存活率曲线，我们可以看到：降温速率过慢，细胞主要因溶质损伤而失活，而降温过快，则面临胞内冰损伤。而曲线的最高点，就是细胞冻存时的最佳降温速率。
为什么会有溶质损伤和胞内冰损伤呢？
两者的出现与细胞膜渗透性有关。当细胞冷却过快，胞膜内水分子来不及外渗即过冷，细胞中的胞质便会结成冰晶，对细胞器乃至整个细胞造成损伤；而冷却过慢，细胞外液会先结冰，导致渗透压升高，细胞内水分外渗，若这一过程过久，会导致细胞失水皱缩。
低温电镜下细胞降温过程，黑色的细胞代表胞内形成了胞内冰
因此，细胞的冻存通常需要在加入保护剂后，用程序降温仪，先以较慢速度降温，在达到某一温度时，快速降至-196℃，并在这一温度长期存储。
玻璃化——低温保存的另一种方式
在低温，水除了凝结成冰，还有另一种形式——玻璃化。在加入高浓度保护剂后，直接投入液氮快速冷却，当粘度达到临界值时即发生玻璃态固化。下方图片展示了玻璃化冻存的兔肾脏，前方透明柱状便是玻璃化的样本。
除了水，细胞的的渗透性和保护液种类也是低温存储的关键。
不同种类细胞的细胞膜渗透性不同，进而最佳降温速率也不相同。这也是低温技术的应用多局限于细胞，而难以普及到组织、器官存储的原因之一。所以，那些冷冻下的人，是否能够成功苏醒呢？这可能要等到他们复苏的那一天才会知道。
本文来自上海细胞治疗工程技术研究中心，作者上海细胞治疗集团。
