细胞状态不好？4 篇顶刊用纳米材料或解决细胞/器官保存问题
奇物论
2020-04-02
养细胞是一门技术活，在操作过程中，可能稍有不慎，它就染菌了。而通过低温保存一些需要活力好的细胞，更是技术难题。如在细胞复苏过程中，动作稍微慢一点，细胞内就会形成大冰晶而杀死细胞，存活下来的细胞可能细胞状态还不好，一边是千辛万苦把材料制备完之后，迫不及待地看效果，而另一边细胞长得慢吞吞的，严重影响了实验进度。而且，对于回输性细胞和器官移植试验，细胞的活力程度决定了试验的成败。于此，低温保护剂在保护细胞和移植器官中起了非常重要的作用，而开发优良的低温保护剂具有非常广阔的商业前景，下面来看看4篇顶刊报道的低温保存技术如何对细胞/器官进行保护！1. Adv. Sci.: 纳米粒介导NK细胞内保护可避免冷冻伤并保留有效的抗肿瘤功能自然杀伤（NK）细胞在临床过继转移环境中介导有效抗肿瘤免疫的能力在很大程度上依赖于它们在冷冻保存后保留细胞毒性功能的能力。为了避免与在存在二甲基亚砜（DMSO）的情况下将NK细胞注入患者体内相关的潜在全身毒性，人们对具有改进安全性的替代冷冻保护剂（CPA）的兴趣不断增长。尽管开发了各种糖，氨基酸，多元醇和多两性电解质作为冷冻保护剂，但是它们促进保护免受细胞内冷冻损害的能力仍然受到限制，因为它们大多在细胞外发挥作用。尽管存在将冷冻保护剂在细胞内穿梭的方法，但对于NK细胞，目前尚未被充分研究于开发新型冷冻保存方法。于此，美国普渡大学Sandro Matosevic等人提出了用于将非DMSO CPAs于细胞内递送至NK细胞的安全且有效的平台的第一个实例。1）基于生物相容性壳聚糖的纳米颗粒经过工程设计，可介导NK细胞的高效无DMSO冷冻保存。2）以这种方式冷冻保存的NK细胞保留了针对肿瘤靶标的有效细胞毒性，脱粒作用和细胞因子产生功能。这不仅代表了将纳米颗粒递送至NK细胞的第一个例子，而且说明了“现成”制造更安全的同种异体过继免疫疗法的临床潜力。Yao, X., et al., Matosevic, S., Nanoparticle‐Mediated Intracellular Protection of Natural Killer Cells Avoids Cryoinjury and Retains Potent Antitumor Functions. Adv. Sci. 2020, 1902938.DOI: 10.1002/advs.201902938https://doi.org/10.1002/advs.2019029382. Adv. Sci.:可大规模制备的介孔硅纳米铁用于器官复温低温保存技术可以长期保存生物系统。然而，对低温保存器官面临的一个主要挑战仍然是大体积（>3ml）的复温，因为在升温过程中，机械应力和结冰会对器官造成严重损害。纳米温热技术是一种很有前景的解决方案，通过将灌注在器官血管系统的磁性纳米颗粒（IONPs）进行感应加热，可快速、均匀地对器官进行复温。这就需要IONPs能够大规模生产，可快速加热，无毒，在冷冻保护剂（CPA）中保持稳定，并且在纳米加温后容易被洗掉。先前已证明在VS55（一种常见的CPA）中使用介孔二氧化硅涂层的氧化铁纳米粒子（msIONP）对细胞和血管进行纳米加热。然而，msIONPs的生产是一个漫长的、多步骤的过程，并且每批只能提供毫克级别的铁。于此，美国明尼苏达大学John C. Bischof等人提出了一种新的微孔二氧化硅涂层的氧化铁纳米粒子（sIONP），它可以在短短1 d内生产，而每批中的铁含量可达1.4 g。还验证了sIONP在VS55中具有较高的发热性，生物相容性和稳定性，并且通过先进的成像和ICP-OES证明了sIONP能对大鼠肾脏进行灌注和洗脱。Gao, Z., Ring, H. L., Sharma, A., Namsrai, B., Tran, N., Finger, E. B., Garwood, M., Haynes, C. L., Bischof, J. C., Preparation of Scalable Silica‐Coated Iron Oxide Nanoparticles for Nanowarming. Adv. Sci. 2020, 1901624.https://doi.org/10.1002/advs.2019016243. Nano Letters: 冷响应纳米胶囊用于细胞内海藻糖递送和低温保存
传统的细胞低温冷冻保存方法通常需要使用渗透性的、有毒的有机溶剂（例如二甲基亚砜、甘油等）作为低温保护剂，复温后的细胞必须经过繁琐的洗涤过程去除细胞内外的有机溶剂才能实际应用。而海藻糖是一种天然的二糖，广泛存在自然界多种微生物中，相对于传统的低温保护剂而言，具有无毒高效的低温保护效果。已有研究表明，海藻糖必须同时存在于细胞膜内外两侧时，其保护效果才最佳。然而，哺乳动物细胞自身不能合成海藻糖，且其细胞膜上没有海藻糖转运蛋白，这就导致海藻糖无法高效、无损地进入细胞内部，严重限制了海藻糖在细胞低温冷冻保存中的应用。面对这一挑战，美国马里兰大学何晓明和中国科学技术大学赵刚等人，创造性地设计了一种冷响应的纳米胶囊，用于海藻糖的纳米尺度封装、细胞内递送和温度控制释放。且使用该方法成功实现了两种典型细胞的低温冷冻保存，其保存效果与传统的二甲基亚砜相当，却完全避免了伴随传统低温保护剂的复温后的繁琐的、损伤性的细胞洗涤过程。该方法为细胞、组织乃至器官的深低温冷冻保存提供了新思路。Zhang Y, Wang H, Stewart S, et al. Cold-Responsive Nanoparticle Enables Intracellular Delivery and Rapid Release of Trehalose for Organic Solvent-Free Cryopreservation [J]. Nano letters, 2019.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b041094. Small：冷响应纳米胶囊实现胰岛细胞的高效保存
细胞低温保存指的是将活细胞置于低温环境（通常为-196℃液氮环境），暂停细胞的生命活动，以实现其长期储存的一种技术。在传统的细胞冷冻保存中，通常要使用渗透性的低温保护剂(pCPA)来减少冰晶损伤，但pCPA具有一定的细胞毒性，并且添加去除过程复杂，费时费力。海藻糖是一种广泛存在于许多耐寒生物中的天然的低温保护剂，不仅价格低廉而且对细胞没有毒性。但哺乳动物的细胞无法自身合成海藻糖，也很难通过扩散作用将海藻糖摄入到细胞内部以达到冷冻保护的作用。因此，研究者们尝试了多种方法来将海藻糖导入到细胞内部，例如超声，纳米胶囊，显微注射，基因表达等。但胞内递送海藻糖的效率、安全性和无损性等多个方面仍存在一定的局限性。中国科学技术大学赵刚和东南大学赵远锦等人针对这一问题，使用了一种借助冷响应纳米胶囊向细胞内高效安全地递送海藻糖的新方法，同时结合海藻酸盐水凝胶对封装细胞的保护作用，以及赵刚课题组创立的低温保存细胞的电磁场空间复温技术，实现了胰岛β细胞的单一低温保护剂条件下（仅使用了海藻糖，未使用其它渗透性保护剂）的高效低温保存（细胞存活率达到80%以上）。1)经该方法低温保存并复苏后的胰岛β细胞水凝胶构建物，移植后可以很好地控制糖尿病大鼠的血糖水平。2)研究人员结合工程学和材料学方法，实现了胰岛β细胞构建物的安全高效低温保存，为使用细胞疗法治疗糖尿病提供了一种新思路。同时，该技术在其它基于细胞低温保存的生物医学领域中也具有潜在的应用价值。Cheng Y, Yu Y, Zhang Y, et al. Cold‐Responsive Nanocapsules Enable the Sole‐Cryoprotectant‐Trehalose Cryopreservation of β Cell–Laden Hydrogels for Diabetes Treatment[J]. Small, 2019.https://doi.org/10.1002/smll.201904290
