竇蒙家, 李曉瑩，饒偉 *
低溫生物醫學(xué)工程學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫生物醫學(xué)是研究低溫與生物體相互作用規律及其醫學(xué)應用的學(xué)科。目前，低溫生物醫學(xué)應用主要涉及低溫保存及低溫治療兩方面（圖 1）。其中，低溫保存是指將生物材料（如細胞、組織、器官）在添加低溫保護劑的情況下冷卻至低溫（一般為 -196 ℃ 液氮）進(jìn)行保存，待需要時(shí)再將其以有效的方式復溫至正常溫度（37 ℃），此時(shí)生物樣品仍可恢復并保持其活性。低溫治療則是以微創(chuàng )介入的方式將探針插入腫瘤組織，手術(shù)開(kāi)始后探針內部冷介質(zhì)在探針頭部與腫瘤組織進(jìn)行冷量交換，使腫瘤組織處于低溫環(huán)境，冰球完全覆蓋腫瘤組織（≤-20 ℃）并維持一段低溫治療時(shí)間，以達到殺死腫瘤細胞的目的，手術(shù)結束后取出探針，腫瘤原位消解。
圖 1 低溫保存及低溫治療示意圖 [1][2]
1、凝固時(shí)光的技術(shù)——低溫保存
在低溫下，生物體新陳代謝的速率大大降低（圖 2），進(jìn)入「生理機制暫?！沟臓顟B(tài)，同時(shí)有效躲避了外界干擾，為「無(wú)限期」保存創(chuàng )造了條件，因此低溫保存能使生物材料得以長(cháng)期安全保存。一般來(lái)說(shuō)，樣品保存的溫度越低，保存的時(shí)間就越長(cháng)，在 4 ℃ 時(shí)存活時(shí)間只有數小時(shí)的生物樣本，在 -80 ℃ 下可以保存數月，在 -196 ℃ 下，隨著(zhù)反應速率近乎于 0，能保存數個(gè)世紀。目前，低溫保存技術(shù)是生物材料長(cháng)期保存的唯一可行途徑。
圖 2 生物樣品低溫保存的時(shí)間與溫度之間的關(guān)系
植物細胞—保存時(shí)間極其長(cháng)：植物種子由于含水量非常低，冷凍過(guò)程冰晶破壞作用很小，因此可以長(cháng)期保存。在植物種子的長(cháng)期保存上，低溫保存提供了必不可少的技術(shù)支撐，具有省事、省工、省費用的特點(diǎn)，尤其適合長(cháng)期保存珍貴稀有種子。一位俄羅斯科學(xué)家利用三萬(wàn)年前冰凍在西伯利亞科雷馬河永凍層里的種子，成功培育出一棵植物，打破復蘇最古老植物種子的記錄（圖 3），事實(shí)上正是低溫環(huán)境使得該物種的遺傳物質(zhì)得以完整的保存，幫助這枚種子安全度過(guò)三萬(wàn)年的休眠期。在挪威斯瓦爾巴特群島上，有一個(gè)全球最大的植物末日種子庫（圖 4），以防因全球物種迅速縮減而造成物種滅絕，被稱(chēng)為「世界末日」地球資源的諾亞方舟。
圖 3 俄羅斯科學(xué)家復蘇三萬(wàn)年前的種子 [3]
圖 4 挪威植物末日種子庫 [4]
動(dòng)物細胞—部分生殖細胞已經(jīng)實(shí)現較長(cháng)時(shí)間保存：在新興的醫學(xué)前沿領(lǐng)域，利用現代低溫保存技術(shù)，人類(lèi)精子、卵子及胚胎長(cháng)期保存已成為現實(shí)（圖 5）。1983 年，世界首例「冷凍寶寶」出生，人類(lèi)胚胎低溫保存技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，低溫保存技術(shù)逐漸成為輔助生殖技術(shù)中不可或缺的重要技術(shù)之一。2017 年年末，美國冷凍了 24 年的胚胎寶寶出生，打破了保存最久冷凍胚胎成功生產(chǎn)的世界紀錄?，F代胚胎保存是將胚胎和低溫保護劑裝入專(zhuān)用的冷凍管中，通過(guò)快速冷凍（玻璃化保存）的方法使胚胎浸入 -196℃ 的液氮中，減少代謝從而得以保存。目前，穩定的高復活率胚胎冷凍技術(shù)仍然是研究人員追求的目標，這將為不孕不育患者保存生育能力、延續生命提供基礎技術(shù)支持。除此之外，各類(lèi)生物樣本庫（如生殖樣本庫、疾病樣本庫、中華民族生物樣本庫及干細胞庫等）的建設，為保存各種人類(lèi)資源都起到了重大作用。
圖 5 低溫保存輔助生殖技術(shù) [5]
組織器官—目前少數器官實(shí)現了短期保存：對于器官移植，臨床上目前多采用短期低溫保存或延時(shí)保存技術(shù)（4℃ 左右），但器官的冷缺血耐受時(shí)間（不損害器官結構功能的前提下，從放置在低溫環(huán)境到正?；謴脱┑臅r(shí)間）較短，心肺為 4 小時(shí)，肝、腸、胰腺為 8～12 小時(shí)，腎最長(cháng)為 36 小時(shí)，但其功能細胞 - 腎小球耐受時(shí)間只有不到 24 小時(shí)。這導致了目前臨床上超過(guò) 70% 的心臟移植手術(shù)因為評估和匹配所需時(shí)間超過(guò)了保存限制而被放棄。我國每年需要進(jìn)行腎器官移植的人約有 30 萬(wàn)，但實(shí)際只有 2000 多人能及時(shí)獲得適配器官接受手術(shù)。因此面對器官庫短缺以及可用率低的問(wèn)題，最有效的解決方案就是尋求器官長(cháng)期有效的低溫保存方法，目前這一方向仍是全球挑戰性的重大難題。活性物質(zhì)—低溫保存賦能其廣泛應用：在抗擊新冠病毒的醫療領(lǐng)域，低溫保存技術(shù)也發(fā)揮了重要的作用。由于不同疫苗有著(zhù)不同的儲運條件，這給冷鏈儲存帶來(lái)巨大挑戰，其中抗擊新冠疫情的 mRNA 疫苗，對低溫儲運的要求極為嚴格（圖 6），需要動(dòng)態(tài)的深低溫儲運環(huán)境。針對不同的疫苗儲運，目前已制定了標準的保存流程，為新冠疫苗的冷鏈輸運提供堅實(shí)的技術(shù)支持。
圖 6 新冠病毒疫苗低溫保存參數 [6～10]
低溫保存技術(shù)歷經(jīng)數十年的發(fā)展，在實(shí)驗方法上取得了巨大成功，特別是近幾十年來(lái)，利用低溫保存技術(shù)，已成功地實(shí)現了對絕大多數種類(lèi)細胞的保存，在皮膚、角膜等簡(jiǎn)單組織的低溫保存上也取得了一定進(jìn)展，并在組織再生及器官移植中得到廣泛應用，極大地推動(dòng)了臨床醫學(xué)的發(fā)展。器官甚至是活體的保存挑戰仍在推動(dòng)著(zhù)這一領(lǐng)域的向前發(fā)展。
2、殺滅腫瘤的利器——低溫治療
早在古埃及時(shí)代，人們就通過(guò)冷敷來(lái)減輕炎癥，低溫的治療作用已被發(fā)現。近世紀以來(lái)，戰場(chǎng)上，醫護人員利用低溫減輕肢體手術(shù)的疼痛。而近年來(lái)，低溫對于治療腫瘤、減緩癌癥發(fā)展的作用也逐漸被人們認識。
低溫治療腫瘤（圖 7），通常是以一種微創(chuàng )的方式將冷凍探針直接插入到腫瘤部位，并利用制冷技術(shù)在探針針頭實(shí)現可控的降溫和升溫功能。在冷凍過(guò)程中，探針周?chē)鷷?huì )形成冰球，使腫瘤組織溫度低至 -20 ℃ 以下，通過(guò)探針持續不斷地冷凍、解凍病灶，產(chǎn)生一系列不可逆損傷，達到消除病灶的目的。與其他治療方式相比，低溫手術(shù)由于具有影像可視、麻醉鎮痛、止血或減少出血、手術(shù)創(chuàng )口小以及能防止腫瘤擴散等優(yōu)點(diǎn)，并且其副作用遠低于放療和化療，因而在腫瘤治療方面贏(yíng)得了「綠色療法」之譽(yù)。低溫外科手術(shù)已拓展應用到幾乎所有的實(shí)體腫瘤治療，被學(xué)術(shù)界和醫學(xué)界公認為是一種治療腫瘤的重要方法。
低溫治療癌癥效果顯著(zhù)，復發(fā)率低。早在 1961 年，美國醫生 I. S. Cooper 就首次運用液氮冷刀，取得了良好的醫療效果。2002 年，日本慶應大學(xué)醫學(xué)院利用低溫治療 42 例晚期肝癌患者，腫瘤的完全消融率達到了 92.2%。2004 年，密歇根大學(xué)綜合癌癥中心報道了冷凍消融直徑 ≤ 1 cm 的浸潤性乳腺導管癌，冷凍消融成功率為 100%（27/27）。2017 年，美國研究人員在學(xué)術(shù)期刊 JVIR 上發(fā)表了一組關(guān)于低溫治療腎癌的臨床數據，共 302 名腎癌患者接受了低溫治療手術(shù)，32 個(gè)月后，腫瘤的復發(fā)率僅為 3.2%。
低溫治療癌癥蓬勃發(fā)展，對于癌癥患者來(lái)說(shuō)，不僅僅是治療上有了新的更加低痛苦的選擇，更是帶來(lái)了生的希望。臨床上，對各種類(lèi)型的早中晚期惡性實(shí)體瘤（比如肝癌、肺癌、乳腺癌等）患者，均可采取低溫治療方式。特別是對于那些失去了常規手術(shù)治療機會(huì )的晚期患者、轉移患者、年齡大或身體虛弱患者、不愿意進(jìn)行常規手術(shù)的患者，低溫治療癌癥為他們提供了生的希望。
隨著(zhù)低溫外科手術(shù)（也被稱(chēng)為冷凍治療）在惡性腫瘤治療中令人鼓舞的大量成功應用，腫瘤微創(chuàng )冷凍治療逐漸成為低溫生物醫學(xué)技術(shù)在現代臨床實(shí)踐中發(fā)揮重大關(guān)鍵性作用的一個(gè)典范（圖 8）。以中國為例，經(jīng)過(guò)短短十余年的快速發(fā)展，目前全國已有數百家醫院 (如北京大學(xué)腫瘤醫院、復旦腫瘤醫院、北京中醫藥大學(xué)東方醫院、中國人民解放軍總醫院等) 開(kāi)展腫瘤冷凍治療業(yè)務(wù)，并呈快速增長(cháng)趨勢；而在美國，開(kāi)展冷凍治療的醫院已超過(guò) 450 家 ( 如 MD Anderson Cancer Center, Mayo Clinic, Mountain Sinai Hospital 等）。最近幾年，全球多個(gè)區域還紛紛成立冷凍治療學(xué)會(huì )，旨在推進(jìn)這一新型高效腫瘤療法的研究和應用。不難看出，國內外醫學(xué)界對腫瘤冷凍治療技術(shù)具有廣泛而迫切的重大需求。
圖 8 復合式低溫冷凍腫瘤微創(chuàng )治療系統康博刀用于臨床治療腫瘤 [16]
3、低溫雙刃劍：默默無(wú)聞的保護 or 所向披靡的破壞？
低溫保存與低溫治療都是通過(guò)低溫來(lái)實(shí)現，那么兩者之間有什么差異呢？究竟兩者如何區分呢，又如何確保各自的效果呢？
低溫保存與低溫治療具有類(lèi)似的操作流程：實(shí)施降溫使生物樣本處于低溫環(huán)境，再通過(guò)復溫使生物樣本處于常溫環(huán)境中。是否添加低溫保護劑：在低溫保存過(guò)程中，需要借助材料和技術(shù)的手段，減少相變過(guò)程中冰核的形成、抑制冰晶的生長(cháng)和重結晶的出現（圖 9）。對于絕大部分哺乳動(dòng)物有核細胞的低溫保存來(lái)說(shuō)，在同樣的降復溫條件下，是否添加低溫保護劑決定了大多數生物樣品在低溫下產(chǎn)生的是保護作用還是破壞作用。無(wú)論低溫保存降溫速度快慢如何都需要添加一定濃度的低溫保護劑來(lái)避免低溫損傷，而低溫治療則不會(huì )添加保護劑且需要強化冰晶的作用。
圖 9 低溫保存與低溫治療差異性
由于生物樣本中大部分成分為水（超過(guò) 70%），所以控制冰晶的形成及生長(cháng)對于低溫保存功至關(guān)重要，通過(guò)選擇合適的低溫保護劑可以實(shí)現冰晶的生長(cháng)調控，那么，一般情況下應該如何選擇呢？通過(guò)添加抑冰材料（低溫保護劑）來(lái)調節冰晶成核和控制冰生長(cháng)和形狀是十分可行的途徑（圖 10）。1949 年，英國生物學(xué)家 C. Polge 和 A. U. Smith 偶然發(fā)現甘油可以幫助精子經(jīng)歷低溫冷凍而不死亡，使低溫保護劑作為低溫保存的一個(gè)重要研究方向登上歷史舞臺。低溫保護劑可以幫助保護生物樣本免受低溫損傷，在細胞凍存中常被配制成一定濃度的溶液，其可以通過(guò)減少冰形成量來(lái)減少細胞脫水。低溫保護劑在降低冰晶形成速率方面表現突出。低溫保護劑如多元醇和糖，特別是海藻糖和蔗糖，甚至可以替代與其結構相關(guān)的水，并防止變性或相變，以保護膜和蛋白質(zhì)免于冷凍期間的干燥應激。在低溫保存方案的設計中，選擇合適的低溫保護劑組合，優(yōu)化低溫保護劑的濃度對于生物樣本低溫保存效果的影響非常大。
圖 10 低溫保存劑對于抑制冰晶形成、生長(cháng)、及修飾冰晶形貌的作用
降溫 / 升溫參數不同：不同的降溫及升溫速率導致的細胞破壞力不同（見(jiàn)圖 11）。在添加低溫保護劑進(jìn)行保護的基礎上，針對不同細胞優(yōu)化低溫保存的降溫和復溫參數可以提高細胞存活率。合適的降溫速率有助于維持冰晶損傷與溶液損傷之間的平衡（如圖 11 所示），對于一般的哺乳類(lèi)細胞，降溫速率經(jīng)常采用 1 ℃/min；而在升溫過(guò)程中，需要比較快的升溫速率，同時(shí)需控制復溫溫度在細胞熱損傷溫度之下，樣品從 -196 ℃ 液氮中取出放到 37 ℃ 水浴中快速復溫，這個(gè)過(guò)程一般控制在 1～2 min。在低溫治療過(guò)程中，探針附近的組織降溫速率較快，一般是 47～116 ℃/min；升溫速率也非?？?，從 -196 ℃ 到 80 ℃ 的加熱循環(huán)一般控制在 2 min 之內，迅速在深低溫及高溫之間切換時(shí)組織產(chǎn)生的熱應力所造成的機械損傷對腫瘤細胞產(chǎn)生了致命的破壞。值得指出的是，當降溫速率足夠快時(shí)（比如，純水的臨界降溫速率為 3×108 ℃/min），可以實(shí)現低溫玻璃化保存（如圖 11a），但目前的低溫治療設備遠低于這個(gè)速度，只能起到低溫破壞作用。
除了升降溫速率不同，低溫保存和低溫治療的凍融循環(huán)次數也不同。低溫保存是為了讓生物樣本在低溫下維持低代謝甚至是零代謝狀態(tài)，為了降低冰晶對生物樣本的損傷在低溫保存中往往只有一次凍融循環(huán)。而低溫治療，根據需要可以對腫瘤組織進(jìn)行多次凍融，以加強對腫瘤組織的破壞性。Whittaker 對倉鼠口腔粘膜進(jìn)行了反復凍融，發(fā)現細胞內冰晶會(huì )在每次凍融循環(huán)的間隔中增加。所以，為了破壞腫瘤組織，需要快速冷凍組織，并進(jìn)行反復凍融。
圖 11 不同降溫及升溫速率下的細胞損傷曲線(xiàn)
低溫作用對象尺度不同：低溫保存目前可以實(shí)現血細胞、懸浮細胞液、卵母細胞等細胞尺度樣品的成功凍存，對于 1 mm 以下的單一功能生物樣本如皮膚、角膜等也可以實(shí)現較高的存活率，但是，目前最為先進(jìn)的低溫保存技術(shù)對于 1 mm 以上的復雜生物樣本（包括血管與多種異質(zhì)細胞）仍存在嚴峻挑戰，而對于低溫治療的腫瘤組織，直徑一般都在 5 mm 以上，遠大于低溫保存對象尺度。因為隨著(zhù)生物樣本體積增大，傳熱速度不均勻性增大，以及冰晶形成釋放大量潛熱，大尺度生物樣本的均溫一直是個(gè)難題。溫度的不均勻性及組織各向異性等引起熱膨脹不均勻，會(huì )造成嚴重的熱應力。當熱機械應力超過(guò)生物組織極限時(shí)，就會(huì )造成生物樣本的永久性損傷。
4、未來(lái)：低溫保存——無(wú)冰共生，低溫治療——遇冰皆消
在低溫保存領(lǐng)域，目前對于一些簡(jiǎn)單的細胞，已經(jīng)能夠實(shí)現比較理想的凍存復活率，但是對于復雜的多細胞生物體系，如大尺度組織、器官，甚至是復雜的生命活體的低溫保存仍有待于破解，低溫對于大尺度生物樣本生命周期的拓展深深吸引著(zhù)研究人員的注意。在低溫治療領(lǐng)域，因諸多活體因素制約，如何確保復雜生理環(huán)境下腫瘤的適形化消融，在精準殺滅腫瘤組織的同時(shí)最大化保護健康組織和重要器官，以達到最優(yōu)化治療效果，仍然是低溫治療技術(shù)研究的主要方向。
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引用
[1] https://www.sohu.com/a/78964231_257870
[2] https://www.163.com/dy/article/DUQF20150514QIFJ.html
[3] http://news.sina.com.cn/c/2012-02-22/184923974981.shtml
[4] https://www.sohu.com/a/216071699_100068111
[5] https://www.sohu.com/a/342740870_120280712
[6] http://baijiahao.baidu.com/s?id = 1685015835025447868&wfr = spider&for = pc
[7] https://www.sohu.com/a/483439375_121124452
[8] https://www.chinaabk.com/news/show-73470.html
[9] https://www.sohu.com/a/442038690_114778
[10] https://www.163.com/dy/article/G9DJ8IAA0515CG74.html
[11] https://bbs.iiyi.com/thread-1863549-1.html
[12]http://www.hxkfh.com/zuixindongtai/20170515100306-1918.html
[13] https://www.drmed.cn/Kidney-cancer/treatment
[14] http://m.fuda120.com/patientinfo/mnxtzl/325.html
[15] http://www.hxkfh.com/zuixindongtai/20160118171324-1421.html
[16]http://tv.cctv.com/2021/05/10/VIDEawZy62vbda3yZ3 h3BSBi210510.shtml
