研究表明干燥保存中细胞死亡的物理原因

在研究活细胞干燥保存的实验中的一项新发现 - 一种可能具有革命性的冷冻保存替代方案 - 已经确定了一个明确的限制，即继续脱水可以杀死细胞。这些数据与分子动力学模拟相结合，可以深入了解最近干燥保存尝试的重要加工因素。

“我们所做的是确定了我们的干燥保存方法中的材料限制。我认为这种新的理解提出了一些有趣的途径来开发一个成功的过程，”大学机械工程教授Gloria Elliott说。该研究的作者之一，北卡罗来纳州夏洛特分校。

7月8日出版的“ 科学报告”中报道的这一发现分析了典型脱水过程中海藻糖(糖)和水分子的分子排列变化，他们将这些变化用于将细胞固定在稳定的海藻糖玻璃中进行长期储存。

细胞的干燥保存是一种具有潜在革命性的生物技术，与目前需要在极低温度下进行维护的冷冻保存方法相比，它具有一些关键优势。由于干燥保存可能允许在正常环境温度下维持材料，因此干燥保存的细胞将更便于存储并且更易于运输，因此可以允许更多的材料堆积并可供使用。

艾略特研究小组正在研究的保存方法包括将细胞悬浮在稀释的海藻糖溶液中，然后通过温和的微波辅助加热过程去除水来浓缩，以便形成海藻糖玻璃，固定生物分子，类似于冷冻。该技术由自然界中的各种生物提出，例如盐水虾和缓动剂(“水熊”)，其响应于环境压力合成糖并且已知在干燥状态下存活多年。

“人们从大自然中研究了这些例子，并发现它们会产生大量的糖，特别是海藻糖，”Elliott指出。“在过去的几十年里，我们一直在努力学习如何做到这一点，并模仿它来保护哺乳动物细胞。”

目前的研究涉及干燥保存T细胞的尝试。该方法涉及使用微波能量来加速从细胞质中去除水分子，避免海藻糖的结晶，这会对膜和其他细胞结构造成损害。

“我们正在增加溶液的粘度，降低分子的流动性，而不会引起海藻糖结晶，”Elliott说。“但这并不意味着分子上没有任何进展。有一种氢键结合的海藻糖网络发展，导致类似固体的特性，这有助于提高基质的玻璃化转变温度。”

但研究人员发现，脱水只能持续到某一点 - 当水质与其他分子总质量的比值接近0.1时，会出现一系列其他效应，所有细胞都会开始死亡。

“我们在本文中看到的是，在脱水期间，事情发生了显着变化，这是一个相当明确的限制，”Elliott指出。“当我们尝试用膜去除有核细胞并保持全细胞功能时 - 我们似乎碰到了一堵墙。我们可以干燥，干燥，干燥以降低水分含量，具有良好的生存能力，然后我们达到特定的水分含量，一切都死了这是一个非常迅速的衰退。“

杀死细胞的确切物理过程无法检测，但研究小组注意到与分子模拟中同一点发生的过程的相关性。

“在分子模拟中，你看到海藻糖簇在脱水过程中形成。这里我们看到的是，我们看到我们失去细胞活力的水分含量水平与所有这些小海藻糖簇聚在一起成为海藻糖分子的大网络时一致。，“ 她说。

“这似乎表明细胞上存在机械力。如果所有分子形成一个网络，一个大的簇，那么细胞将被困在那个僵化的网络中。”

研究人员假设，鉴于细胞结构的脆弱性，特别是薄细胞膜，统一海藻糖网络突然转变为刚性对细胞可能是致命的。“当最终聚集事件发生时，我们可能正在挤压细胞或机械剪切它们，”Elliott说。

“这为干燥保存期间细胞损伤的性质提供了一个新的工作假设 - 在细胞干燥过程中，存在一个临界水分含量，糖分子网络会僵硬，并可能对细胞造成物理伤害，”她说。“这是我们可以测试的一个假设，如果网络的刚性是问题，我们可以采取一些有趣的方法来解决问题。”

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