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华南农业大学吴珍芳团队发表冷冻保存研究领域高水平综述：多学科策略攻克冰晶难题

时间：2025-03-14 来源：基因库

近日，华南农业大学动物科学学院吴珍芳教授团队在国际知名学术期刊《Journal of Nanobiotechnology》（中科院一区，IF=10.65）发表了题为《Overcoming ice: cutting-edge materials and advanced strategies for effective cryopreservation of biosample》的综述论文。该研究系统总结了生物材料冷冻保存领域的最新进展，提出了以先进材料结合纳米技术、微流控技术、3D打印技术及先进工程手段的多学科协同策略，为生物样本长期高效冷冻保存提供了创新性解决方案。

（1）冰晶损伤与毒性难题：冷冻保存的核心挑战。冷冻保存技术是生物医学、种质资源保护及再生医学的关键支撑，但其应用受限于冰晶形成导致的损伤和常规冷冻保护剂（CPAs）的细胞毒性，导致样本存活率低下。

（2）从自然到人工：仿生材料开辟新路径。研究团队重点探讨了天然糖类和聚合物、抗冻蛋白（AFPs）及其仿生材料、冰核剂、水凝胶等的应用潜力。AFPs通过独特的冰结合面（IBF）抑制冰晶生长与冰重结晶，但其规模化生产难度大、成本高。基于纳米材料（如氧化石墨烯、金属有机框架）和合成聚合物（如聚乙烯醇）的仿生设计，可模拟AFPs功能，在降低冷冻保护剂用量的同时提升细胞存活率。水凝胶通过氢键与水分子相互作用，与微流控技术、3D打印技术相结合，具有更好的应用前景。

（3）生化调控：从抗氧化到膜稳定的双重保护。论文创新性地以“生化调控”的概念系统总结基于分子层面的耐冻性干预策略。通过抗氧化剂的补充，清除过氧化物（ROS），激活细胞内源性抗氧化系统，调节凋亡相关信号通路，促进解冻后细胞功能修复。两性离子（如甜菜碱）通过强静电作用与细胞膜结合，维持冷冻过程中的膜流动性，减少渗透损伤；锌离子通过动态调控脂质簇结构，使细胞在低温下保持形态稳定。

（4）多学科融合：规模化冷冻保存的有效方法。利用磁性或光热纳米材料实现快速均匀解冻，避免冰重结晶。水凝胶封装（结合微流控技术、3D打印技术）通过三维微环境保护细胞免受机械损伤，而铜网支架结合焦耳加热技术可高效复温大体积样本（如肾脏）。等容冷冻通过恒定体积压力抑制冰晶自由生长，实现哺乳动物心脏无化学保护剂超低温保存。

最后，作者强调，尽管冷冻保存领域取得了显著进展，但冷冻保存不仅是物理过程，更需从分子互作、信号通路等生化层面解析损伤机制，仍需进一步研究和开发更有效的冷冻保护材料和方法。未来的研究方向包括：结合成像技术与多组学分析，深入研究自然界中耐寒生物的冷冻耐受机制，为生物样本的冷冻保存提供新思路；靶向特定样本冷冻损伤修复的关键信号通路及其作用底物；基于计算化学-分子动力学-AI的多学科协同，开发抗氧化、抗冻、生物相容且可规模化的多功能平台。

该论文综述了生物样本冷冻保存的现状、挑战和未来方向，全面涵盖了基础研究和应用研究，为种质资源保护、器官移植、细胞治疗等领域的低温存储难题提供了理论框架与前沿技术参考。

论文第一作者为华南农业大学动物科学学院高级兽医师黄妙容博士，通讯作者为华南农业大学动物科学学院吴珍芳教授，共同通讯作者为华南农业大学动物科学学院高级实验师郑恩琴老师，其余共同作者包括：国家犬类实验动物资源库（广州医药研究总院有限公司）正高级畜牧师胡敏华博士、华南农业大学动物科学学院蔡更元研究员、卫恒习副研究员、黄思秀高级畜牧师。

标题：Overcoming ice: cutting-edge materials and advanced strategies for effective cryopreservation of biosample
期刊：Journal of Nanobiotechnology
链接：https://jnanobiotechnology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12951-025-03265-6

华南农业大学吴珍芳团队发表冷冻保存研究领域高水平综述：多学科策略攻克冰晶难题

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