为什么保持超低温对生物样本很重要？保存样本完整性的关键

从根本上说，为生物样本保持超低温是暂停生物时间的唯一可靠方法。这个过程被称为冷冻保存，它有效地阻止了导致降解的分子和酶活性，从而保存了样本的完整性、功能和活力，以供未来的研究、诊断和治疗用途。

保存生物材料的根本挑战在于生命是一个不断变化和衰变的过程。超低温不仅仅是让东西变冷；它们是为了让所有生物过程几乎完全停止，防止任何进一步的变化发生。

生物停滞的科学

要理解极端寒冷的重要性，我们必须首先了解即使在冷冻状态下，也会在微观层面破坏生物样本的机制。

阻止酶和代谢活动

所有生物衰变都由酶和代谢反应驱动。虽然标准冷冻会减缓这些过程，但并不能完全阻止它们。

在-20°C甚至-80°C左右的温度下，残留的分子运动允许一些酶活性在长时间内继续，缓慢降解蛋白质、核酸和细胞结构。

只有达到超低温，通常低于-130°C，分子运动才能减小到这些破坏性过程有效停止的程度。

防止冰晶损伤

当水缓慢结冰时，会形成大的、锋利的冰晶。这些晶体就像微小的匕首，物理性地刺穿和撕裂细胞膜和细胞器。

这种物理损伤是不可逆的，也是不当冷冻的细胞在解冻后不再具有活力的主要原因之一。

冷冻保存旨在快速冷却样本，使水分子没有时间组织成大晶体。相反，它们被锁定在一种无序的、玻璃状的状态，称为玻璃化，从而保留了细胞结构。

玻璃化转变温度

长期保存的关键阈值是水的玻璃化转变温度，约为-132°C。

低于这个温度，水表现得像固体玻璃，分子扩散几乎为零。这确保了即使经过几十年，也没有冰晶生长（一个称为再结晶的过程）或生化降解发生的风险。

这就是为什么在液氮中储存（液氮保持-196°C的稳定温度）是保存有价值和不可替代细胞的黄金标准。

温度不稳定的后果

即使是与目标超低温的微小偏差，也可能对样本完整性造成灾难性后果。

解冻-再冷冻循环的危险

每次样本温度升高，哪怕是轻微升高，分子活动都可能恢复。如果温度升高到玻璃化转变点以上，小冰晶就会开始合并并生长成更大、更具破坏性的冰晶。

这意味着重复的、微小的温度波动——例如打开冰箱门造成的波动——会随着时间的推移逐渐破坏样本。

样本活力的丧失

对于需要活细胞的应用，例如体外受精（IVF）、干细胞疗法或基于细胞的研究，活力至关重要。

不当冷冻或温度不稳定直接导致细胞死亡。这使得样本对其预期的治疗或实验目的变得无用，代表着时间、资源和临床机会的巨大损失。

受损的数据和诊断

在研究和诊断中，目标是分析样本在收集时的状态。

如果样本在储存过程中降解，所测量的蛋白质、RNA或代谢物可能会发生变化或消失。这会导致数据不准确、诊断结果不可靠以及实验不可重复。

根据您的目标选择储存方式

选择正确的储存温度是一项关键决策，完全取决于样本的性质和您的长期目标。

• 如果您的主要关注点是DNA或某些蛋白质等稳定分子的短期储存： -80°C的储存可能就足够了，因为这些分子对结构损伤的敏感性较低。
• 如果您的主要关注点是活细胞（例如干细胞、配子或细胞系）的长期活力： 液氮（-196°C）冷冻保存是防止冰晶损伤并保证解冻后功能的唯一可接受方法。
• 如果您的主要关注点是保存敏感生物标志物的精确状态以进行分析： 超低温对于创建稳定、不变的基线至关重要，并确保您的结果反映收集时的真实生物状态。

最终，精确的温度控制是可靠的生物科学和医学赖以建立的基础。

总结表：

温度	主要影响	适用于
-20°C	减缓降解	稳定试剂的短期储存
-80°C	减缓大多数酶活性	DNA、蛋白质的短期储存
低于-130°C	停止所有分子运动和衰变	活细胞、敏感生物标志物的长期保存
-196°C (液氮)	完全静止的黄金标准	不可替代的细胞、配子、干细胞、长期生物样本库

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