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新聚合物可保護低溫保存細胞免受冰晶破壞

2020/04/14 @國際

摘要

美國猶他大學研究團隊為解決冷凍細胞與器官之保存方法,以分子模擬進行聚合物抑制冰晶成形之機制,並且提出聚合物在冰的表層擴散速度與分子在冰面上結合時間之關聯性,為未來研發新型柔性聚合物的生物醫學研究有深遠影響。

新聚合物可保護低溫保存細胞免受冰晶破壞

  細胞療法為癌症和自身免疫性疾病的治療方法帶來革命性的改變。這個數十億美元的產業需要以超低溫冷藏的方式長期保存細胞,同時也要確保其解凍後仍能持續發揮功能。然而,低溫環境易使冰晶形成和生長,其會刺穿並撕裂細胞。因此,為尋求解決方法,猶他大學化學家-Pavithra Naullage和Valeria Molinero提供了有效保護細胞避免受冰晶損害的聚合物之設計基礎,該研究發表於《美國化學學會雜誌》。

  以往冷凍保存細胞和器官的方法是利用大量的二甲亞碸,其是一種有毒化合物,可破壞冰晶的形成,但會給細胞帶來壓力,從而降低細胞存活率。現今,已找到了一種來自自然界使生物,如魚類、昆蟲和其他冷血生物,可在極端低溫環境下存活的抗凍醣蛋白。此蛋白可與冰晶結合,避免冰晶生長和破壞細胞。其抑制原理為抗凍分子會固定在冰晶表面上並與冰晶緊密結合,如同枕頭上的石頭,使冰面在分子周圍形成彎曲的表面。由於這種曲度使冰晶生成不穩定,從而停止冰晶生長。此外,分子結合在冰晶表面的時間比冰晶生長的時間還長,因此,可進一步防止冰再結晶。基於細胞療法的發展需求和冰晶抑制生長的原理,研究人員欲開發出有效的冰再結晶抑制劑,該抑制劑需與天然抗凍醣蛋白一樣具有競爭活性,但不具如同二甲亞碸的毒性和成本。因此,這種需求推動了合成可模擬抗凍醣蛋白作用的聚合物。然而,迄今為止所發現的最有效合成冰再結晶抑制劑—聚乙烯醇(PVA)的效力比天然醣蛋白還低,此外,由於尚未了解何種因素限制了聚合物抑制冰再結晶的效率,使得尋找更強的冰生長抑制劑似乎有停滯的現象。

  因此,研究團隊進一步利用大規模的分子模擬來闡述分子作用在冰晶上的機制,其包含聚合物的柔性、長度與如何調節控制其與冰晶結合並防止冰晶生長的效能。研究表明,分子在冰面上的結合時間主要由聚合物結合在冰上強度、長度和聚合物在冰表面散播速度來控制。此外,研究人員也分析了各種控制柔性聚合物結合在冰晶上的因素,並解釋PVA和天然抗凍醣蛋白效能的差距。主要原因是每個抗凍醣蛋白都比PVA與冰的結合更牢固,抗凍醣蛋白的二級結構易區隔出冰晶結合和未結合區塊,使抗凍醣蛋白能快速附著在冰上,從而阻止冰晶的生長。【延伸閱讀】新型纖維素可望降低生質能源成本並治療感染

  此項研究首先確認了聚合物結合在冰上傳播時間,研究發現柔性聚合物緩慢散播在冰晶上會限制其抑制冰晶生長的能力,根據這項發現可作為設計柔性聚合物的關鍵變量,為新型柔性聚合物的設計奠定了基礎,該聚合物甚至超過抗凍醣蛋白的效率,並在生物醫學研究中產生重要的影響。

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