中科院理化所王健君研究员Nano Letters: 低温下离子特异性稳定细胞膜流动性, 实现细胞高效冷冻保存

血液保存具有重要的应用价值，血库长期储备红细胞以应对灾害、战争等急需血液的情况；稀有血型深低温冷冻保存具有重要临床价值；体外长期保存的正常红细胞具有其他重要的应用价值，包括药物传递、疾病诊断、免疫介导及细胞治疗等。目前红细胞的标准冷冻保存方法以高浓度甘油配合费时的梯度洗脱为主，其渗透压变化过大易导致大量溶血，而且伴随致命的冰晶损伤。虽然不断发展的控冰材料具有越来越强的控制冰晶生长的能力，但是调控细胞本身的耐冻性未被研究人员重点关注。在目前的红细胞冷冻保存研究中，控制冰晶成核及生长被认为是改善其冻存效果的关键方向，而针对最脆弱的细胞膜保护往往被忽视。

近日，中科院理化所王健君团队提出了一种基于锌离子低温下特异性维持细胞膜流动性，进而提高细胞冻存效率的策略。首次报道了在红细胞冷冻保存过程中，仅用少量（0.039% w/w）Zn(II) 即可代替高浓度（25%~50% w/w）的传统甘油实现高达95%的细胞复苏率，同时冻存剂的洗脱时间仅需数分钟。

【文章要点】

一、锌离子独特的冷冻保存效果

自然界一些耐寒生物可以季节性地调节细胞膜的组成保持细胞膜的流动性以应对环境温度变化，例如，胆固醇分子可以缓冲磷脂双分子层的排列进而维持膜流动性。由于金属离子具有抑制红细胞溶血的效果，作者首先评估了K(I), Na(I), Ca(II), Zn(II), Mg(II)等常用金属离子对红细胞的冷冻保存能力，结果显示锌离子具有特异性保护效果，且与抗衡阴离子无关 (图1)。

图1. 红细胞冷冻保存。

二、锌离子低温下维持细胞膜流动性及其机制研究

作者通过对各种金属离子在低温下对细胞膜流动性及耐渗透压能力检测发现锌离子可以在温度降至0℃时仍稳定细胞膜流动性不变，进而使得细胞膜更加耐受渗透压冲击（图2）。

图2. 降温过程中细胞膜流动性及耐受渗透压能力变化。

作者通过分子动力学模拟 (MD) 研究离子在降温过程中对磷脂双分子层的扰动，证实Zn2+和磷脂分子的头基相互作用形成动态团簇，作用程度没有过弱 (K+) 或过强 (Ca2+), 各项参数证实Zn2+独特的作用方式有利于维持磷脂分子的扩散能力，在270K是具有最高的扩散速率 (图3)。

图3. 分子动力学模拟。

三、基于锌离子的高效冷冻保存应用

作者将锌离子可以在低温下膜流动性的特性应用到红细胞冷冻保存中，在添加静电分散和能量分子后，复配的组分可以实现~85%的红细胞复苏率，且避免传统冷冻保护剂所需的梯度洗脱过程，回收细胞的各项功能完整，具有实际应用价值 (图4)。

图4. 红细胞冷冻保存后功能表征。

【展望】

不同于传统控冰材料的开发，本文所提出的利用锌离子来调节细胞膜在低温下的流动性以应对低温损伤为冷冻保存提供了一种新的策略，调控生物样本本身的耐冻性也可以增强冷冻保存效率。同时，除红细胞外，该策略在其他类型细胞的冷冻保存中也展现出较好的效果，也为更复杂的组织甚至器官样品冻存提供了可能的途径。

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02866

来源：课题组供稿
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