人类精子冷冻的基本原理详解

小丫 · 发表于 2021-2-22 21:23:34

人类精子作为一种特殊的组织细胞，具有细胞冷冻的全部特点，与冷冻其他组织细胞一样，在一定的低温条件下，让细胞降温、凝固、非损伤性结冰，促使细胞代谢降低，处于休眠状态，从而达到贮存细胞的目的。

细胞生活在细胞外液之中，并通过膜进行内、外物质的交换，水分可以自由通过细胞膜，水分的运动方向，主要取决于细胞内、外液中溶质的浓度差，即溶液渗透压的高低。在细胞冷冻过程中，随着温度的不断下降，细胞会发生一系列的物理化学变化。细胞外液中作为各种电解质溶剂的水分首先因为温度的降低，形成细小的颗粒状冰晶，导致细胞外液中水分减少，电解质浓度增加，细胞外液渗透压升高，细胞内外渗透压失去平衡，水分由细胞内向细胞外渗透，于是细胞由于自身脱水而发生皱缩。冷冻过程中细胞外液中形成的冰晶是热交换的不良导体，具有一定程度的隔热作用，所以外界温度的降低对细胞内液的影响不明显。随着外界温度的持续降低，加上细胞因为脱水，水分减少，这些综合因素作用的结果，使细胞不产生或仅产生少量的冰晶。利用冷冻过程中产生的渗透压差使细胞脱水，产生皱缩，使细胞器或细胞膜不损伤或仅发生轻微损伤，这就是细胞冷冻的基本原理。

细胞冷冻过程中，冰晶主要在细胞外形成还是细胞内、外同时形成，主要取决于冷冻降温速度。快速冷冻过程中，细胞内形成的冰晶将引起细胞超微结构的机械性损伤，造成细胞死亡，这一现象称为快速冷冻损伤，又称冰晶损伤。反之，在慢速冷冻过程中，细胞外液中由于冰晶的大量形成，渗透压升高，细胞内水分由于渗透压差快速向外渗透，细胞就有可能由于过分暴露于高浓度的溶质环境中，引起细胞严重脱水而死亡，这种现象称为慢速冷冻损伤，又称溶质损伤。正是基于细胞冷冻损伤的形成机制，在细胞冷冻贮存过程中，需选择一种不引起快速冷冻损伤，并可获得细胞最大冷冻复苏率的降温程序，依据细胞冷冻过程中不同的降温阶段，采用不同的降温速率。但实际上，要发现这种理想的降温程序是极困难的，因为在引起细胞损伤的降温速度之间并无明显界限。因此，仅靠不同的降温阶段，采用不同的降温速度尚不足以达到理想的冷冻效果。在细胞冷冻时，加入一些物质，以保护细胞不受损害或少受损害，以达到最佳冷冻保护效果，这类物质我们称为冷冻保护剂。借助冷冻保护剂的保护作用以及合理的冷冻速率，才有可能获得理想的冷冻效果。不同组织的细胞具有不同的冷冻易感性，由于精子较其他细胞小，仅有很少的细胞质，且胞质中水分含量较其他细胞少，相比其他细胞，精子在冷冻过程中，能发生足够的脱水和皱缩，低温条件下，不会形成过多的细胞内冰晶，因此，精子适宜冷冻保存。

从本质上讲，细胞的冷冻过程实际是一个脱水的过程，当温度降低到冰点时，细胞外液首先凝固，化学势能降低，细胞内水分通过细胞膜渗到细胞外，在细胞外结晶，而此时，细胞内液不会凝结。随着温度的持续降低，细胞内也开始形成冰晶，细胞极易在此阶段死亡，因此，此阶段应快速通过。当温度降至-196℃时，细胞处于休眠状态，可在液氮中长期贮存。

细胞在冷冻过程中，冷冻损伤的发生是不可避免的，但有关损伤的机制，仍存许多争议。多数学者认为，引起细胞冷冻损伤的主要因素为渗透压的改变和细胞内冰晶的形成，因此，冷冻保护剂和降温速度的选择，对减少冷冻损伤至关重要。冷冻保护剂中的渗透性保护剂可以渗入细胞内，与水分子结合，降低细胞内溶液的凝固点。非渗透性保护剂能稳定细胞膜的结构，当细胞外液结晶大致完成时，细胞内液还处于超临界状态，冰晶尚未形成。另外，渗透性冷冻保护剂还能降低细胞内未凝固部分溶液的盐浓度，有效防止细胞因渗透压的改变而破裂。降温速度决定了细胞内冰晶形成的速率和大小，冷冻过程中降温速度适宜，渗透性保护剂可充分渗入细胞内，细胞内水分向外渗透时间充足，引起细胞脱水皱缩，冰晶主要形成于细胞外，细胞内无冰晶或仅有微小冰晶形成。如降温速度过快，细胞来不及充分脱水，产生超冷效应（supercooling effect），在冰点下，细胞内液中暂无冰晶形成，但随着温度的持续降低，则会在细胞内大量形成冰晶，造成细胞器和细胞膜结构损伤，引起细胞死亡。此外，复温速率的选择也会对细胞的存活率造成影响，如复温过慢，在再结（冰）晶温度阶段，细胞内已形成的冰晶会增大，造成细胞二次损伤；如复温过快，因细胞外液冰晶融化，细胞外渗透压降低，水分大量内流，造成细胞肿胀甚至破裂。

winwin99 · 发表于 2023-4-18 20:15:25

细胞器或细胞膜不损伤或仅发生轻微损伤，这就是细胞冷冻的基本原理。

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