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低溫對生物細胞和組織的作用

作者:天馳液氮罐 來源:原創 日期:2014-12-26 8:32:22 人氣:33 加入收藏 標簽:生物細胞

著名的Arrhenius公式反映了溫度對化學反應速率的影響:


對于是給定的反應,A是一個常數。生物體內新陳代謝過程中的化學變化,雖大多數由于酶催化而表現出多種特殊形式,但仍然可以用上述物理化學反應的基本關系式來分析。

由(1)式可見,反應速率K隨溫度的降低而衰減。從理論上講,溫度越低,生物細胞或組織可保存的時間就越長,比如:若一生物體在4℃環境下能存活2小時,那么,它在-40℃下能保存數日,在-80℃下可保存數月,而在-196℃的液氮溫度下可望保存幾個世紀。若要達到此液氮溫度更低的溫度,則耗資很大。因此,從實用的角度來講,液氮溫度已足夠。

80年代,美國紐約血液吵心的A.W.Rowe將在液氮溫度下保存了12年的紅細胞復溫后進行檢查,沒有發現任何生化和功能上的變異,實現了人體細胞的低溫保存。

多年來,在低溫技術和生物醫學工作者的共同努力下,目前已成功實現低溫保存的細胞和組織主要有:血液及其某些成分、精子、胚胎、骨髓細胞、肝細胞、皮膚、角膜、胰腺組織、甲狀腺旁體等,它們的保存和移植成功已為臨床醫學帶來了一些突破性的進展。

生物細胞或者組織雖能在低溫下長期保存,但卻極容易在降溫和復溫過程中受到損傷。關于損傷機理的研究仍在進行中,主要有以下幾種假說:1972年Mazur等提出的兩因素假說,它認為過快冷卻會形成的胞內冰,對細胞造成損傷。而過慢冷卻會產生胞外冰,使細胞在高濃度的溶液中暴露時間過長而遭受損傷。電解質失去平衡假說,是Lovelock于50年代提出的,認為過慢的冷凍過程會造成電解質濃度提高,導致細胞膜脂蛋白復合體的破壞和膜的分解。1965年Karrow等提出的結構水假說,認為當細胞經歷過速冷凍時,包圍在蛋白質表面的束縛水析出結冰,使蛋白質更新喪失了表面的水化層,容易凝集析出而變性,失去原有的結構和功能,導致細胞死亡。1970年Meryman提出的最小臨界容積假說,則認為當細胞脫水糾縮達到臨界最小體積時,會使細胞膜的滲透率產生不可逆的致命的增加,原先不能透過膜的溶質也變成可滲透的,造成細胞死亡。

在低溫保存研究中,為了避免冰晶對細胞的損傷,人們尋找了一些低溫保護劑,如:丙二醇、乙二醇、二甲亞楓、甘油、PVP聚乙烯吡咯烷酮、PEG聚乙二醇和丁二醇等,將適當濃度的抗凍劑加入到被保存物中,配合適當的降、復溫程序員,可以大大提高了低溫保存的存活率。另外,80年代發展起來的玻璃化保存方法也日益受到重視,它的基本原理是使細胞及其保護劑溶液以足夠快的降溫速率,過冷到所謂玻璃化轉變溫度,而被固化成完全的玻璃態或非晶態,并以這種玻璃態在低溫下長期保存。由于在一過程中,細胞內外完全不避免了結晶,從而避免了結冰可能引起的各種損傷。這一過程可由溶液補充相圖(圖1)解釋如下:溶液若以足夠快的冷卻速度計,達到足夠低的溫度,就可以過冷到玻璃態的固體。這里,“足夠低”是指T<Tg?!白銐虻汀笔侵冈诶鋮s過程中迅速通過Tg<T<Tm的結晶區而不發生晶化。對于純水、要實現完全玻璃化,需要極高的冷卻速率,例如:直徑為1UM的純水滴,冷卻速率高達107K/S時才能實現完全玻璃化。由補充相圖可以看出,溶液濃度增大時,Tg也隨著增大,所以進行生物格料的低溫保存時,可能過添加適當的玻璃化溶液,使其在較慢的冷卻速率下也可實現完全玻璃化。


相反,利用低溫和降、溫過程對細胞的損傷機制,作用于腫瘤或病變組織,達到驅除疾病的目的,則是低溫生物醫學的另一項任務,也被稱為冷凍醫治療。冷凍治療是將一定的低溫作用于局部活體組織,其殺傷能力由原發、繼發和一系列連鎖反應共同作用。目前被接受的冷凍殺作機理,可如圖2所示。


自1963年I.S.Cooper首次運用高質量的液氮冷刀取得良好療效后,冷凍治療因其治療設備簡單、手術方便、出血少、費用低等特點,已在皮膚科、眼科、耳鼻咽喉產、婦科、泌尿科、肺科及腫瘤治療中得到廣泛的應用。更多關于低溫生物方面的詳細內容可深入了解液氮在低溫生物醫學和食品冷凍冷藏中的應用。

本文網址:http://www.thomastrials.com/Industry/1033.html
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