细胞冻存液是如何保护细胞的？

科幻电影中将冻存若干年的生命体重新解冻复活的情节在生命科学研究过程中每一天都在上演。为了将每一种有生命的细胞较好的保存其原有的细胞特性或者长久的保存种质资源，实验人员往往将细胞用特殊配置的细胞冻存液保存于-196℃的液氮，使得细胞暂时脱离生长状态，等到实验需要的时候再从液氮中取出复苏应用。在这一看似神奇的生命存储过程中，我们不禁要问细胞冻存液是如何保护每一个细胞生命的？

细胞这一微小的生命体和地球的其它生命相似，机体的主要成份是由液态的H2O组成，但是其结构微小复杂，内部任何的物理损伤对于它都是致命的。水在低于零度的条件下会结冰。如果将细胞悬浮在纯水中，随着温度的降低，细胞内外的水份都会结冰，所形成的冰晶会造成细胞膜和细胞器的破坏而引起细胞死亡，这种因细胞内部结冰而导致的细胞损伤称为细胞内冰晶的损伤。如果将细胞悬浮在溶液中，随着温度的降低，细胞外部的水分会首先结冰，从而使得未结冰的溶液中电解质浓度升高。如果将细胞暴露在这样高溶质的溶液中且时间过长，细胞膜上脂质分子会受到损坏，细胞便发生渗漏，在复温时，大量水分会因此进入细胞内，造成细胞死亡。这种因保存溶液中溶质浓度升高而导致的细胞损伤称为溶质损伤或称溶液损伤。当温度进一步下降，细胞内外都结冰，产生冰晶损伤。但是如果在溶液中加入冷冻保护剂，则可保护细胞免受溶质损伤和冰晶损伤。因为冷冻保护剂容易同溶液中的水分子结合，从而降低冰点，减少冰晶的形成，并且通过其摩尔浓度降低未结冰溶液中电解质的浓度，使细胞免受溶质损伤，细胞得以在超低温条件下保存。在复苏时，一般以很快的速度升温，1-2分钟内即恢复到常温，细胞内外不会重新形成较大的冰晶，也不会暴露在高浓度的电解质溶液中过长的时间，从而无冰晶损伤和溶质损伤产生，冻存的细胞经复苏后仍保持其正常的结构和功能。冷冻保护剂对细胞的冷冻保护效果还与冷冻速率、冷冻温度和复温速率有关。而且不同的冷冻保护剂其冷冻保护效果也不一样。

冷冻保护剂甘油或二甲基亚砜（DMSO）分子量小、溶解度大、细胞膜通透性好，可以使冰点下降，提高细胞膜对水的通透性，且对细胞无明显毒性。DMSO能够快速穿透细胞膜进入细胞，降低冰点、延缓冻存过程，同时提高细胞膜通透性，提高细胞内离子浓度，减少细胞内冰晶的形成，从而减少细胞损伤达到保护细胞的目的。