缓步动物作为耐受冷冻的模板
缓步动物，这种常被称为水熊虫的微小生物，以超强的适应力闻名。它们可以被冻成固体，被干燥到几乎失去所有水分，暴露在太空真空中，然后在条件改善后复活。研究人员甚至给这些动物纹上了微小的纹身，它们似乎对此毫不在意。这种耐受性使缓步动物成为一种生物学上的生存策略目录，科学家们现在正从中挖掘保护人类细胞的方法。
最实际的目标之一是红细胞冷冻保存，这项技术使血库能够将稀有血型冷冻并长期储存，直到患者需要时使用。该方法有效，但存在一个数十年来一直困扰该领域的顽固缺陷。
甘油的问题
在冷冻血细胞之前，通常会先用甘油处理。该化合物作为冷冻保护剂，阻止冰晶生长，否则冰晶会刺穿并破坏细胞膜。没有这种保护，冷冻是致命的。
问题出现在之后。甘油不能直接输注给患者，因此必须在细胞解冻后将其去除。这一去除步骤本身就有害，会对冷冻过程本应保护的细胞造成压力，并且为已经要求精确的操作增加了处理时间、时间和成本。
血库更希望有一种保护策略，能让细胞在冷冻过程中保持完整，然后干净地退出，无需惩罚性的洗涤步骤。这正是缓步动物登场的地方。
CAHS蛋白如何与糖协同作用
缓步动物借助一类被称为CAHS蛋白的分子来承受极端条件，CAHS是胞质丰富热溶性蛋白的缩写。这些蛋白质之所以引人注目，不仅因为它们存在于一种能无视冷冻和脱水的动物中，还因为它们与海藻糖——一种稳定细胞膜和蛋白质的糖——共同作用的方式。海藻糖在实验室之外也是一种熟悉的成分：它常被用来限制冷冻食品中的冻伤。
缓步动物蛋白质与膜稳定糖之间的这种伙伴关系引起了研究人员的注意。他们没有将这种组合视为奇事，而是询问它是否能超越血库中使用的标准冷冻保护剂。
测试片段，而非完整蛋白质
杨辉、孙乐明及其同事想知道，将CAHS蛋白与海藻糖结合是否能比单独使用甘油更有效地保护红细胞。他们的研究结果发表在由美国化学会出版的《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上（DOI: 10.1021/acsami.6c12445）。
该团队没有使用全长CAHS蛋白。相反，他们确定其特定片段能提供他们所追求的保护效果，这种简化如果该方法将来被扩大用于常规用途，可能意义重大。
当该片段与海藻糖在低温下配对，然后样品在液氮中冷冻时，这两种成分改变了冰形成和随后融化的方式。这种改变的冰行为保护了细胞免受损伤。解冻后，CAHS-海藻糖组合可以通过离心——一种标准实验室技术——洗去，而不是通过更具惩罚性的甘油去除过程。
恢复数据
性能比较令人鼓舞。使用新的CAHS-海藻糖方法保存的小鼠红细胞中，高达89%完全恢复，而使用甘油冷冻的细胞约为82%。
该研究的通讯作者孙乐明将这项工作描述为将生物学转化为实用方法的早期尝试。孙说：“这项研究是我们首次尝试将一种极其顽强的生物体的经验转化为实用的细胞保存策略。”“如果进一步开发，它可以使解冻后的过程更简单，减少与残留甘油相关的担忧，并有助于保持储存细胞的质量。”
谨慎解读结果
这里有几个重要的注意事项。实验使用的是小鼠红细胞，而非人类细胞，而且这代表的是首次尝试，而非完成的方案。与甘油相比的改进虽然在此背景下是真实的，但只是几个百分点的差异，而非巨大的飞跃。任何最终用于输血医学的用途都需要大量进一步的开发和验证，才能进入血库冰箱。
该研究确实证明了一个概念：一种借自地球上最顽强动物之一的蛋白质，与一种广泛使用的糖结合，可以影响冰在细胞周围的行为，并提高它们在冻融循环中的存活率。它还指向一种冷冻保存工作流程，其中保护剂更容易去除，这可以减少解冻和清理目前对储存细胞造成的损害。
研究要点
- 缓步动物能承受冷冻、极端脱水和太空真空，甚至能耐受被安装微小纹身。
- 传统的红细胞储存依赖甘油，甘油必须在输血前去除，且在去除过程中可能损伤细胞。
- 研究人员将膜稳定糖海藻糖与缓步动物CAHS蛋白的一个片段结合，而非全长蛋白质。
- 在液氮中冷冻时，该混合物改变了冰的形成和融化方式，从而保护了细胞。
- 用这种方法保存的小鼠红细胞中，高达89%完全恢复，而使用甘油的约为82%。
为何其意义超越实验室工作台
稀有血型对任何卫生系统都构成后勤挑战。它们按定义就稀缺，无法按需生成，并且必须长期保持可用，以便在特定患者需要时能够提供。一种能在冻融循环中保持更多细胞完整、且事后更容易清除的保存方法，将为血库提供更大的操作空间。
这项研究还说明了生物技术领域正在形成的一个更广泛理念：耐受极端环境的生物体是医学问题的化学和材料解决方案的来源。缓步动物的生存技巧是为那些会杀死大多数生命的环境而进化的，即使只采用这套工具的一小部分——一个蛋白质片段加一种糖——最终也可能改变细胞的储存、运输和恢复方式。
海藻糖本身就是不起眼成分能发挥重要作用的一个好例子。这种防止冷冻食品产生冻伤的糖，正被测试作为活细胞的稳定剂，而CAHS片段似乎使其在该角色中更有效。其机制与其说是魔法，不如说是化学：通过干预冰的成核和融化方式，该混合物降低了脆弱细胞膜所承受的物理惩罚。
目前，这项工作仍是第一步，从小鼠细胞实验到医院输血之间的差距很大。但它确实表明，一种能在太空真空中存活的动物与血库冰箱之间的距离，可能比最初看起来的要小。
本文基于Phys.org的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org
