细胞冻存原理及常见方法

人类遐想通过冷冻保存，实现在未来复活。在科幻小说《三体》中，描述了人类可以在冬眠中度过几个世纪，醒来之时依然保持着冬眠时的生命体征和生理年龄。漫威电影里的美国队长冰封70年后再次苏醒，拯救世界。

看似神秘的冷冻保存技术，对于做细胞培养的小伙伴而言是一点也不陌生，细胞冻存可是人人不能免考的必修课呀。

01 细胞冻存的原理

细胞冻存是细胞保存的主要方法之一，也是保持细胞活性和增殖能力的重要手段。细胞可以通过被暂时休眠（冻存），仿佛童话里的睡美人，留住年轻芳华，等到需要时再被轻轻唤醒（复苏）。

低温下，活细胞中的生物和化学反应都会大大降低，为细胞长期冻存提供了可能。冷冻对大多数活生物体都是致命的，细胞冻存是利用冷冻保护剂来降低冰点，缓慢冻结细胞的过程中，细胞内水分透出细胞，使细胞冻结中冰晶形成减少，从而避免了由于冰晶形成对细胞中生命活性物质的一系列损伤。【1】细胞冻存时利用低温降低细胞代谢，使细胞处于停止生长的“休眠”状态，等需要使用的时候再进行复苏操作。

细胞储存在-70℃冰箱中，可以保存一年；若储存在-196℃的液氮环境中，理论上可以实现长期永存。

02 细胞冻存的常见方法

细胞冻存和复苏的关键要点是慢冻快融。细胞冻存的效果主要与降温步骤、冻存保护液的使用、冻存温度、复温速率及用于冻存的细胞生长状态有关。【2】降温速率过快容易引起细胞内冰晶损伤，所以为防止细胞内结冰必须采用一个“慢”的降温过程，并使用冻存保护剂，即冻存液。目前细胞冻存多采用甘油或二甲基亚砜（DMSO）作保护剂。

根据降温速度区分，细胞冻存可以分为程序降温冻存与非程序降温冻存。传统的冻存方法是将冷冻管置于4℃ 30分钟、-20℃ 30分钟、-80℃过夜再转液氮。这种冻存方法步骤多，而且需要遵守几个时间点，容易被遗忘，对于繁忙的实验人员而言不那么友好。而程序降温方法，采用降温速率-1℃～-2℃/min；当温度达-25℃以下时，可增至-5℃～-10℃/min，再放至-196℃液氮保存。常规的程序降温冻存方法较为复杂、费时，需要仪器设备花费较高，所以非程序降温冻存方法便应运而生，它能大大简化冻存流程，细胞可直接置于-80°C冰箱完成冻存过程，更为简便高效。

03 细胞冻存和复苏的最佳时间

细胞在体外生长期间，通常分为三个阶段：潜伏期、指数生长期和平台期。潜伏期通常是细胞刚刚传代，此时细胞开始贴附基质和伸展骨架，代谢活动集中在粘附蛋白和骨架蛋白的表达，细胞数量在这段时间内几乎没有增加。

随后，细胞开始指数生长期，转录翻译过程旺盛，胞内物质、信号传递迅速，细胞数量迅速增长。如果在这个时期冻存，实际上是强行将细胞冻结在代谢的某一时刻，势必造成对解旋的DNA、转录翻译中的RNA和蛋白的机械损伤，增加个别环节发生错误的风险。

随着细胞数量的增长，培养容器内，细胞汇合达到90%以上。大部分细胞因为“接触抑制”而停止高速代谢和增殖，胞内活动趋于平缓。所以，建议在刚刚进入平台期时冻存细胞，既可以获得足量的细胞，也不会对细胞造成过多的机械损伤。

参考文献：

1.吴敬智，缪着，马波，刘馨.影响悬浮细胞冷冻保存的因素分析[J].中国生物医学技术，2020,10（15）：512-517.

2.陈凯，李欣然，宣言. SD 大鼠骨髓间充质干细胞在-80 ℃低温条件下的冻存[J].中国组织工程研究，2016，20(10):1433-1438.