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人才视界②|王健君:破解生物“冷冻-复活”的神奇“密码” ——实验室创新样板工厂仿生冷冻团队
发布时间:2020-07-14 浏览:39 次

在各类科幻作品中,“冷冻-复活”的设定是一个很常见的桥段,如在著名的漫威系列电影中,美国队长这一角色的人物设定,就是在二战时期被冷冻于冰川之中,直到70年之后再次被人发现,从而解冻复活。那么,这种神奇技术真的存在吗?近日,松山湖材料实验室仿生控冰冷冻保存材料团队负责人王健君研究员接受专访,详细介绍了生物材料冻存的机制原理,以及该团队在卵母细胞冻存等方面取得的研究进展。

   

器官移植催生生物材料冻存研究

 

在仿生冷冻团队实验室内,专用的冷冻冰箱、生物液氮罐、程控降温仪等设备陈放其间,王健君研究员小心地从液氮罐中取出了冷冻在其中的疫苗样本。通过该团队掌握的低温冷冻技术,可以使疫苗在低温下保存更长时间,并且解冻后仍然具有活性。

 

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“器官移植技术催生了对生物材料冷冻保存技术的研究。上世纪六七十年代就已经出现器官移植技术,但是直到2017年,所有器官衰竭需要进行移植的人当中,只有不到2%可以完成手术,一个重要原因涉及到器官是否能长时间保存的问题。”王健君介绍,理论研究发现器官在零下140℃以下可以实现长期保存,然而现有技术下,器官通常只能保存在4℃左右的环境,最长保存20多个小时。

 

对于器官移植来说,从供体到受体,存在匹配、检测、运输、移植等多个环节,20多个小时实际非常紧张。一方面如果检测不匹配,器官短时间内无法找到新的合适受体,将会被废弃;另一方面,即使短时间内移植成功,但是由于检测不充分,排异等不良反应的风险也大大增加。

 

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在此次抗击新冠肺炎疫情中,采用了一种干细胞疗法,将干细胞植入危重病人体内,用以修复被损害的细胞组织。王健君介绍说,这种疗法要大面积推广应用,也必须有冻存技术支持,从制备到注射之前,要实现大量冻存。 

 

虽然有着重要的应用领域,然而生活经验告诉我们,将一个活体低温冰冻之后,会变成僵硬的冻块,解冻之后会失去活性。这是由于不受控制的冰晶在形成和生长过程中,会对细胞造成损伤。那么该如何解决这一问题呢?

 

“传统方法是加一些特殊的‘盐’,比如说有一种分子叫二甲基亚砜,它跟水结合的能力强,可以跟冰竞争水,减少细胞内冰晶的形成,从而有效地保护细胞。”不过,王健君表示,这种方法存在两个明显弊端,一是在零下140多度的低温下想达到效果,需要添加的分子浓度高达50%-60%,很难找到符合条件的材料;二是向细胞中添加如此多的物质,也会一定程度破坏细胞原有的结构,而如二甲基亚砜有一定的毒性。

 

向自然界寻求“冻而不僵”的秘密

 

既要能使细胞长时间安全冷冻,又要能恢复活性,似乎进入了一个死胡同。这时候,研究团队将目光投向了自然界。

 

在自然界,如北极、南极,有很多生物在低温下可以正常生存。“2013年12月,我们在新疆沙漠找到一种甲虫,在零下30多度的低温下,把它从雪里拿出来放在我手上,几分钟后这只虫子就开始动起来了。”王健君举例道,还有阿拉斯加的一种树蛙,在零下30度、甚至零下50度都活得很好。不同地区、不同低温下,都发现了类似的神奇现象。

 

自然界生物冻而复生的“密码”,正是生物体内“抗冻蛋白”和“冰晶核蛋白”的相互作用,它们可以控制冰晶的形成和演变,使生物体免受冰冻伤害。

 

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如果说过去加“盐”阻止结冰的传统方法,是治水时采取“堵”的策略,那么通过抗冻蛋白对冰晶的生长进行控制,则是“疏”的策略,这为研发冻存材料摒弃二甲基亚砜等有毒试剂提供了思路。

 

实际上,早在上个世纪,控冰蛋白就已被人发现,但是关于它究竟如何控制冰核形成的机制仍不明朗。“沙漠甲虫体中存在的高活性抗冻蛋白和冰晶核蛋白两类控冰蛋白,表面的化学性质都是差不多的,唯一的区别就是尺寸不一样,但是对冰核形成的效果完全不同。”王健君称,学术界另一个争论,在于高活性抗冻蛋白究竟是亲水还是亲冰。

 

针对这两个关键问题,研究团队开展了一系列深入研究。他们以氧化石墨烯材料为“尺子”,在纳米级别控制材料的尺寸,研究了尺寸纳米材料对冰晶成核的影响,首次在实验探测到临界冰核的尺寸。另一方面,经过六七年的持续研究,他们发现抗冻蛋白两个面具有不同的性质,一面亲水,另一面亲冰,从而刷新了学界对这一问题的认识。


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“抗冻蛋白可以在水和冰之间形成一堵均匀的墙,每一个蛋白都起到了控冰作用。如果人工去合成这种控冰材料的话,就能让每个材料分子都能发挥作用。这是研发控冰冻存试剂的目标,因为毕竟要把它用到人体内,希望这类外来物质越少越好。”

 

新型冻存材料显著提升卵母细胞存活率

 

厘清了冰的成核以及生长机制,仿生冻存团队开展了后续众多应用研究。“我们在松山湖开展的工作方向之一,就是辅助生殖治疗技术中不可或缺的生殖细胞冻存试剂的研发。社会上对于冻卵还存在一定争议,一个重要原因就是冻卵的安全性问题。”王健君表示。

 

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过去人们已经实现对多种动物细胞和组织的冷冻保存,如血细胞、精子、胚胎、皮肤、干细胞、胰腺组织等。但是,卵母细胞的数量少、体积大,在低温保存过程中易受到冷冻损伤而失去繁殖功能,因此,卵母细胞的冻存研究始终是国际生殖辅助技术的难点与热点。

 

“卵母细胞尺寸大约150微米,头发丝的1.5倍左右,个头大、含水多,很难冻存。之前我国的冻存液要从美国、日本购买,但是这些传统的冻存液含有二甲基亚砜分子,会对细胞带来损伤。”

 

项目团队以小鼠卵母细胞或胚胎为研究对象,采用筛选出的冷冻保存材料配方方案进行冻存实验,评测卵母细胞或胚胎冻存后的复苏率,以及复苏2小时后的存活率等指标。初步研究结果表明,团队创制的仿生控冰冷冻保存材料一方面二甲基亚砜含量为零,大大降低了材料毒性;另一方面,卵母细胞存活率等各项指标与国外知名企业同类产品相比,均具有显著提高。

 

打造从研发到产业转化的成熟平台

 

“我们研究出的这套卵母细胞冻存试剂,是全世界唯一的。做材料研究的人,总会希望研制的材料实现真正的应用。”王健君表示,围绕卵母细胞冻存,团队已经申请了23个专利,国际专利4项,初步建立起了领先行业的技术门槛和竞争优势。

 

目前,该团队正依托松山湖材料实验室加快进行产业转化,搭建起产品中试生产线,希望能于年底得到中试样品,进一步向市场推广。

 

仿生控冰冷冻保存材料团队目前有8名成员,在创新样板工厂18支队伍中并不算大,不过,王健君对于团队发展有着长远打算。“我希望我们团队不仅仅是做卵母细胞冻存这一件事,而是打通从研究到转化的链条,形成一个平台体系。未来有更多的研究项目,有意义的发明,都可以通过这个平台实现产业转化。”

 

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对于松山湖材料实验室为团队工作开展提供的支持,王健君十分认可:“这个平台对知识的尊重度非常高,给我们的研究很高的自由度,有一个宽松的发展空间,让我们能充分发挥各自优势,团队每个人都能放手去做,而不必在一些细节上消耗精力。”

 

除了卵母细胞冻存试剂向产业化快速推进外,研究团队还将目光投向了技术难度更大的器官冻存,“我给自己5年左右时间,实现简单组织的成功冻存,比如眼角膜、卵巢组织冻存等。如果能进一步与不同领域的科学家合作,实现心肺等器官的成功冻存,将是很有意义的一件事。”

 

撰稿:综合事务管理部 × 南方日报