每天，您似乎都可以在某个地方找到一个标题，描述了科学家在开发细胞和基因疗法方面取得的非凡进步，用于罕见的遗传疾病，各种癌症以及影响大多数工业化世界的常见疾病。遗传物质现在在疫苗中也很常见，因为科学家发现mRNA是引起对SARS-COV-2的强烈免疫反应的有效起点。但是，除了它们的遗传成分外，所有这些医疗产品都面临着一个普遍的挑战：在存储和运输过程中，必须保持寒冷才能保持可行，直到可以使用它们为止。

不幸的是，当前用于冷冻细胞和组织的技术不是为了保存医疗产品而制定的。但是如今，科学家和工程师正在开发新工具，例如蛋白质样的“肽”，这些工具可以使冷藏和运输更容易，更安全，更可靠。

今天的冷冻疗法有毒

除非将其保持在零温度下，否则今天的医疗产品的生物学成分很快在体外降解，但是冷藏却引入了几种医疗和后勤挑战。首先，存储在-80°C可以无限期地生存，但前提是它们沐浴在有毒的冷冻保护剂（CPA）中。CPA例如二甲基亚氧化二甲基（DMSO）减轻冰晶的生长并保护细胞在冷冻时免受破裂的破裂，但它们可以使细胞疗法不安全用于临床使用。¹

当在小于4 mL/kg的浓度下静脉注射时，DMSO对小鼠致死。²在人类中，DMSO会导致严重的毒性作用，从内部出血到癫痫发作，神经毒性，呼吸停滞和致命的心律不齐。一项回顾性分析表明，在95个医疗中心的34,000名干细胞移植受者中，每100名接受者中约有2名经历了与治疗相关的急性毒性。³从历史上看，使用DMSO的好处超过了风险，但是随着细胞和遗传材料变得更加不可或缺，越来越多的人有毒性暴露的风险。科学家需要一种新的方法，可以使这些医学突破可扩展和安全。

抗冻蛋白是溶液吗？

寻求DMSO的无毒替代品的科学家已将自然转向解决方案。许多动物在各种环境条件下壮成长的繁殖比人类所能忍受的，包括极度寒冷，这表明某些物种可能拥有安全保存人类生物材料的关键。例如，几种鱼类通过发展产生抗冻蛋白（AFP）的能力，适合于居住在南大洋中。这些蛋白质可以防止冰晶在体内生长，从而降低其血液和其他体液的冰点。

AFP已适用于实验室中的几种应用，例如保存动物精子。⁴但是AFP不可扩展用于临床用途，因为提取和纯化它们的过程是复杂且昂贵的，蛋白质的半衰期很短，并且它们有可能诱导人类不良免疫反应。^4,5AFP可能不是答案，但是对这些蛋白质的研究激发了科学家开发合成蛋白样分子，这些分子模仿其益处，但却无毒且易于产生。

合成肽聚合物

当今开发中最新的CPA是n- 取代的仿生氨基酸聚合物（肽）和肽肽杂种。肽是无毒的，可以在质量尺度上生产以保存临床产品。至少，它们可以防止在温度下至少在液氮的温度下，-196°C的温度至少在细胞中形成冰晶体。早期研究表明，在溶液中，肽在保留细胞活力方面与DMSO一样有效，并且细胞毒性较小。

在一项研究中，研究人员将细胞与DMSO或肽的细胞一起孵育。⁶他们发现，DMSO在浓度高于0.5％的浓度下诱导细胞死亡，而肽并未在任何浓度下诱导细胞死亡，包括防止冰晶形成所需的浓度（图1）。

图1：研究人员将细胞与DMSO或肽的孵育，发现DMSO在浓度高于0.5％的浓度下诱导细胞死亡，而肽并未在任何浓度下诱导细胞死亡，包括防止冰晶形成所需的浓度。

在另一项实验中，科学家比较了乙二醇（例如），实验室中使用的另一种CPA的能力，以及在冷冻和解冻后保留细胞活力的肽。研究人员单独或EG加上肽的细胞生长，闪烁在液氮中，然后在体温下融化。如果冷冻保存溶液包括肽，则比不这样的细胞生存的比例更高（图2）。

图2：研究人员单独或EG加上肽的细胞生长，闪烁在液氮中，并在体温下解冻。如果将较高比例的细胞在含有肽的溶液中孵育，则可以生存。

此外，在肽与养分混合的实验中，几乎所有的细胞幸存下来都被冷冻和融化，并在显微镜下似乎没有损坏（图3）。

图3：研究人员将肽与养分和该溶液中的孵育细胞混合。几乎每个细胞都幸存下来，被冷冻和解冻，并且在显微镜下似乎没有受损。

将研究进一步发展，一项翻译研究检查了肽是否可以保留闻型干细胞（HSC）。研究人员在-80时冻结了细胞24小时°C，然后将它们放入液氮额外8-22天。解冻后，肽在支撑细胞存活方面更有效，并且在促进小鼠骨髓植入的血清中混合的10％DMSO有效。⁷

这些数据是第一个证明无毒肽聚合物对临床相关标本冷冻保存的影响。这些合成聚合物可以潜在地支持各种临床标本的冷冻保存。

冷冻保存的未来

寒冷的温度是全球研究实验室，细胞库和医院实验室的资产。科学家使用冷藏来保留从细菌和干细胞到疫苗成分和整个器官的各种生物标本。然而，随着越来越多的患者接受活细胞作为治疗，并且随着疫苗越来越依赖脆弱的生物材料，当今CPA的局限性变得越来越明显。为了使细胞和基因疗法能够生存临床发育并吸引患者，需要以保持安全性和有效性的方式进行运输和存储。CPA和肽中可能有溶液。

肽等无毒的CPA可保留细胞疗法和疫苗的生存能力和安全性。合成肽可以使这些产品更加稳定，并且可以大规模制造，从而使制造商和分销商可以快速为有需要的患者提供安全有效的医疗产品。

关于作者：

小韦是X-Therma的联合创始人兼首席执行官。

马克·克莱恩（Mark Kline）是X-Therma的联合创始人和CTO。

参考

1. Awan M，Buriak I，Fleck R等。二甲基亚砜：自冷冻生物学黎明以来的核心参与者，毒性是否平衡了疗效？再生医学。2020; 15（3）：1463-1491。doi：10.2217/RME-2019-0145
2. Kelava T，Avar I，čuloF。药物溶剂的生物学作用。周期生物学。2011; 113（3）：311-320。URI：hrcak.srce.hr/74090
3. Bekkem A，Selby G，Chakrabarty JH。回顾性分析移植患者静脉内DMSO毒性。生物血骨髓移植。2013; 19（2）：S313。doi：10.1016/j.bbmt.2012.11.466
4. Eskandari A，Leow TC，Rahman MBA，Oslan SN。防冻蛋白及其在工业，医学和农业中的实际利用。生物分子。2020; 10（12）：1649。doi：10.3390/biom10121649
5. Bagis H，AkkoçT，TasşA，AktoprakligilD。抗冻蛋白对转基因小鼠卵巢的低温作用以及通过冷冻保存小鼠卵巢的原位移植产生活的后代。mol reprod dev。2008; 75（4）：608-613。doi：10.1002/MRD.20799
6. Wei X，发明家；X-Therma Inc.，受让人。美国专利号20200239632。新型肽聚合物和使用方法。2020年7月30日。
7. Gilfanova R，Callegari A，Childs A等。一种生物启发的化学定义替代品，用于二甲基硫氧化二甲基的替代人，用于对人造血干细胞的冷冻保存。骨髓移植。2021; 56（11）：2644-2650。doi：10.1038/S41409-021-01368-W