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干細胞為什么要存儲在液氮中?能存多少年呢?


“永生”幾乎是無數人的夢想,古代一些帝王或是貴族還會煉制丹藥、求仙問道,試圖延長壽命,追求所謂的長生,然而這似乎是一個不可能實現的夢想。

那么,人類的自然壽命到底是多少呢?曾有研究表明,哺乳動物的壽命相當于成熟期的8-10倍,生長期的5-7倍,而人類的成熟期為14-15年,生長期是20-25年,因此人的自然壽命可達到110-150歲。

還有按照細胞分裂的次數和周期來算的,分裂次數約為50次、周期平均為2.4年,人的自然壽命應在120歲左右。

別說“永生”了,能活到100歲的人,已經是高壽了。所以,又有聰明人想出了聰明的辦法,把人“冷凍”起來,到未來某個時刻再“解凍”,不就相當于“永生”了嗎?

“冷凍技術”在很多生物上都已經實現,細菌、病毒等低等生物就不用說了,有人曾經嘗試過將活魚在液氮中冷凍,然后取出放置在溫水里,奇跡出現了,冷凍的魚竟然逐漸復蘇。

然而,如果要上升到人體,也就是人體冷凍技術,那還是當今科技的超級難題,有人把它和曼哈頓計劃、阿波羅計劃、人類基因組計劃并列,堪稱科技奇跡。

人體冷凍技術是把人體在極低溫(一般在攝氏零下196度以下 / 華氏零下320以下)的情況下深低溫保存,并希望可以在未來通過先進的醫療科技使他們解凍后復活。

有人會提出疑問,人體長時間暴露在零下5攝氏度的環境中就會被凍傷,為什么在零下196攝氏度的環境中卻不會受傷呢?


萊頓弗羅斯特效應

說到這,我們就必須了解一下萊頓弗羅斯特效應。

萊頓弗羅斯特效應是指液體不會潤濕炙熱的表面,而僅僅在其上形成一個蒸汽層的現象,也就是當液體遭遇極度炙熱時就將化作一層絕緣的氣態防護層。

簡單來說,水滴在接觸極度炙熱的表面的時候,底部會立刻形成一層水蒸汽,將水滴和熱源隔離開,讓水滴懸浮在空中,外面包裹著一層水蒸氣,水蒸氣的熱傳導性能很差,并且懸浮翻滾散熱,很難吸收更多的熱量,氣化的速度會大大減慢,這就是萊頓弗羅斯特效應。

其實這個現象在日常生活中很常見,刷干凈鍋,準備燒鍋炒菜的時候,鍋中總有那么幾顆水珠轉來轉去,著急放油卻沒法放。

換一種情景,人體的溫度是37攝氏度,液氮的溫度是零下196攝氏度,兩者相差233攝氏度,這個時候液氮將會汽化成氣態,并在人體和液氮之間形成一個保護層,保護人體不會被凍傷。

然而,迄今為止,沒有一例冷凍人體復活成功。

1960 年代,美國紐約血液中心 Rowe實現了紅細胞的低溫保存。

1980 年,他將在液氮溫度下保存了 12 年的紅細胞復蘇后進行檢查,沒有發現任何生化和功能上的變異,從而從實踐上證明了生物材料可以在低溫下長期存活。

80 年代以來,理學和工程學進入低溫保存研究領域,低溫工程理論及實用設計原理的不斷更新及應用,低溫生物學的研究快速發展。

到了20世紀末,隨著科學方法的不斷進步以及冷凍方法的不斷完善,低溫保存技術廣泛的應用到了臨床上。

新生兒圍產組織干細胞是從新生兒臍帶,胎盤組織中提取的,過去一般是作為醫療廢物來處理。新生兒圍產組織干細胞資源豐富,可變廢為寶,對供者(母嬰)無任何不良影響,病毒感染風險低,人類白細胞抗原組織配型相合要求低,移植后發生排斥反應的危險性小,移植物抗宿主病反應低,干細胞不受疾病、衰老等影響。

每一顆細胞就是一個活的生命體。從人體溫度的37攝氏度到196攝氏度,超過230多攝氏度的溫差,直接冷凍會將細胞直接凍死。要在儲存的過程中充分保證細胞的活性,溫控的把控和調節至關重要。

實驗室進行細胞保存是需要加入保護劑,以及按照一定的規范流程進行操作的,并不是直接扔到液氮中。時至今日仍以二甲基亞砜為保護劑、低速率降溫后液氮凍存。人們推算用這種方法保存細胞,細胞能存活數世紀。

實驗室提取到干細胞組織后,先將干細胞暫存于零下80攝氏度冰箱,然后轉移至液氮中。干細胞經過程控降溫后保存于零下196攝氏度的液氮中12個月、幾年甚至幾十年后,仍有很高的細胞活性。

通常認為零下80攝氏時,細胞內外各種溶質基本達到平衡,此時細胞內酶的活性基本消失,但仍有微量生命活動,仍然會消耗能量,不適合長時間保存。零下196攝氏度的液氮深低溫冷凍保存能阻斷各種酶的活性和細胞代謝,可長期保存細胞并保存細胞活力。

干細胞凍存于液氮后,細胞基本活動停止,其各項指標較之前有降低的情況,主要與凍存和復蘇的過程有關,細胞經歷降溫和復溫的過程,會引起細胞內形成冰晶及滲透壓改變,過程中有部分細胞不可避免地受到損傷。細胞活性有一定比例的損失,主要是已分化成熟的細胞,這部分細胞丟失并對移植影響不大。

有科研人員對存儲了1-20年的臍帶血干細胞的質量進行分析,得到了如下的數據:凍存12個月后平均細胞活力仍為90. 86%,1~2 年為 84. 3%,2~3 年為84. 7% , 3年以上為 85.9%,凍存20年后細胞活力為75. 78%。

2012 年,北京市道培醫院救治一位49 歲,體重達87公斤的白血病患者, 使用了一份 1998 年已經凍存14年的干細胞,復蘇后細胞活性達96%。

2014年12月,女孩曉穎確診為急性髓細胞白血病,之后移植了一份凍存時間長達15年的造血干細胞,按年齡來說,這份臍帶血居然還是她的“姐姐”。 “臍血姐姐”雖沉睡了15年,但它依然生命力旺盛——移植前復蘇活性檢測高達94.2%。

廣東1份凍存了15年后復蘇的干細胞活性仍達到 94.2%,于2015年救治了廣東省11歲急性髓細胞白血病女童患者,目前其身體狀況良好。

2017 年北京使用一份采集于1998年5月,凍存18年11個月的干細胞,復蘇后細胞活性為 97.16%。

美國臍帶血干細胞生物學研究權威美國印第安納大學的Broxmeyer教授團隊在2011年《BLOOD》雜志發表的體外和動物實驗研究結果證明,凍存23.5年的干細胞仍可維持其原有的體外增殖、分化、擴增和體內植入潛能。

結 尾

理論上任何細胞在零下196攝氏度的環境下都可以永久保存。細胞保存的技術至今已有幾十年的歷史,至今為止保存了70年的細胞仍然有活性。干細胞保存技術也有20多年的歷史,20年前保存的干細胞至今仍然可以應用于臨床。所以說干細胞是可以永久保存的。但是干細胞保存的質量取決于干細胞庫的技術、標準等因素。


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