竇蒙家, 李曉瑩，饒偉 *
低溫生物醫學工程學北京市重點實驗室，中國科學院理化技術研究所低溫生物醫學是研究低溫與生物體相互作用規律及其醫學應用的學科。目前，低溫生物醫學應用主要涉及低溫保存及低溫治療兩方面（圖 1）。其中，低溫保存是指將生物材料（如細胞、組織、器官）在添加低溫保護劑的情況下冷卻至低溫（一般為 -196 ℃ 液氮）進行保存，待需要時再將其以有效的方式復溫至正常溫度（37 ℃），此時生物樣品仍可恢復并保持其活性。低溫治療則是以微創介入的方式將探針插入腫瘤組織，手術開始后探針內部冷介質在探針頭部與腫瘤組織進行冷量交換，使腫瘤組織處于低溫環境，冰球完全覆蓋腫瘤組織（≤-20 ℃）并維持一段低溫治療時間，以達到殺死腫瘤細胞的目的，手術結束后取出探針，腫瘤原位消解。
圖 1 低溫保存及低溫治療示意圖 [1][2]
1、凝固時光的技術——低溫保存
在低溫下，生物體新陳代謝的速率大大降低（圖 2），進入「生理機制暫停」的狀態，同時有效躲避了外界干擾，為「無限期」保存創造了條件，因此低溫保存能使生物材料得以長期安全保存。一般來說，樣品保存的溫度越低，保存的時間就越長，在 4 ℃ 時存活時間只有數小時的生物樣本，在 -80 ℃ 下可以保存數月，在 -196 ℃ 下，隨著反應速率近乎于 0，能保存數個世紀。目前，低溫保存技術是生物材料長期保存的唯一可行途徑。
圖 2 生物樣品低溫保存的時間與溫度之間的關系
植物細胞—保存時間極其長：植物種子由于含水量非常低，冷凍過程冰晶破壞作用很小，因此可以長期保存。在植物種子的長期保存上，低溫保存提供了必不可少的技術支撐，具有省事、省工、省費用的特點，尤其適合長期保存珍貴稀有種子。一位俄羅斯科學家利用三萬年前冰凍在西伯利亞科雷馬河永凍層里的種子，成功培育出一棵植物，打破復蘇最古老植物種子的記錄（圖 3），事實上正是低溫環境使得該物種的遺傳物質得以完整的保存，幫助這枚種子安全度過三萬年的休眠期。在挪威斯瓦爾巴特群島上，有一個全球最大的植物末日種子庫（圖 4），以防因全球物種迅速縮減而造成物種滅絕，被稱為「世界末日」地球資源的諾亞方舟。
圖 3 俄羅斯科學家復蘇三萬年前的種子 [3]
圖 4 挪威植物末日種子庫 [4]
動物細胞—部分生殖細胞已經實現較長時間保存：在新興的醫學前沿領域，利用現代低溫保存技術，人類精子、卵子及胚胎長期保存已成為現實（圖 5）。1983 年，世界首例「冷凍寶寶」出生，人類胚胎低溫保存技術逐漸發展成熟，低溫保存技術逐漸成為輔助生殖技術中不可或缺的重要技術之一。2017 年年末，美國冷凍了 24 年的胚胎寶寶出生，打破了保存最久冷凍胚胎成功生產的世界紀錄。現代胚胎保存是將胚胎和低溫保護劑裝入專用的冷凍管中，通過快速冷凍（玻璃化保存）的方法使胚胎浸入 -196℃ 的液氮中，減少代謝從而得以保存。目前，穩定的高復活率胚胎冷凍技術仍然是研究人員追求的目標，這將為不孕不育患者保存生育能力、延續生命提供基礎技術支持。除此之外，各類生物樣本庫（如生殖樣本庫、疾病樣本庫、中華民族生物樣本庫及干細胞庫等）的建設，為保存各種人類資源都起到了重大作用。
圖 5 低溫保存輔助生殖技術 [5]
組織器官—目前少數器官實現了短期保存：對于器官移植，臨床上目前多采用短期低溫保存或延時保存技術（4℃ 左右），但器官的冷缺血耐受時間（不損害器官結構功能的前提下，從放置在低溫環境到正常恢復血供的時間）較短，心肺為 4 小時，肝、腸、胰腺為 8～12 小時，腎最長為 36 小時，但其功能細胞 - 腎小球耐受時間只有不到 24 小時。這導致了目前臨床上超過 70% 的心臟移植手術因為評估和匹配所需時間超過了保存限制而被放棄。我國每年需要進行腎器官移植的人約有 30 萬，但實際只有 2000 多人能及時獲得適配器官接受手術。因此面對器官庫短缺以及可用率低的問題，最有效的解決方案就是尋求器官長期有效的低溫保存方法，目前這一方向仍是全球挑戰性的重大難題。活性物質—低溫保存賦能其廣泛應用：在抗擊新冠病毒的醫療領域，低溫保存技術也發揮了重要的作用。由于不同疫苗有著不同的儲運條件，這給冷鏈儲存帶來巨大挑戰，其中抗擊新冠疫情的 mRNA 疫苗，對低溫儲運的要求極為嚴格（圖 6），需要動態的深低溫儲運環境。針對不同的疫苗儲運，目前已制定了標準的保存流程，為新冠疫苗的冷鏈輸運提供堅實的技術支持。
圖 6 新冠病毒疫苗低溫保存參數 [6～10]
低溫保存技術歷經數十年的發展，在實驗方法上取得了巨大成功，特別是近幾十年來，利用低溫保存技術，已成功地實現了對絕大多數種類細胞的保存，在皮膚、角膜等簡單組織的低溫保存上也取得了一定進展，并在組織再生及器官移植中得到廣泛應用，極大地推動了臨床醫學的發展。器官甚至是活體的保存挑戰仍在推動著這一領域的向前發展。
2、殺滅腫瘤的利器——低溫治療
早在古埃及時代，人們就通過冷敷來減輕炎癥，低溫的治療作用已被發現。近世紀以來，戰場上，醫護人員利用低溫減輕肢體手術的疼痛。而近年來，低溫對于治療腫瘤、減緩癌癥發展的作用也逐漸被人們認識。
低溫治療腫瘤（圖 7），通常是以一種微創的方式將冷凍探針直接插入到腫瘤部位，并利用制冷技術在探針針頭實現可控的降溫和升溫功能。在冷凍過程中，探針周圍會形成冰球，使腫瘤組織溫度低至 -20 ℃ 以下，通過探針持續不斷地冷凍、解凍病灶，產生一系列不可逆損傷，達到消除病灶的目的。與其他治療方式相比，低溫手術由于具有影像可視、麻醉鎮痛、止血或減少出血、手術創口小以及能防止腫瘤擴散等優點，并且其副作用遠低于放療和化療，因而在腫瘤治療方面贏得了「綠色療法」之譽。低溫外科手術已拓展應用到幾乎所有的實體腫瘤治療，被學術界和醫學界公認為是一種治療腫瘤的重要方法。
低溫治療癌癥效果顯著，復發率低。早在 1961 年，美國醫生 I. S. Cooper 就首次運用液氮冷刀，取得了良好的醫療效果。2002 年，日本慶應大學醫學院利用低溫治療 42 例晚期肝癌患者，腫瘤的完全消融率達到了 92.2%。2004 年，密歇根大學綜合癌癥中心報道了冷凍消融直徑 ≤ 1 cm 的浸潤性乳腺導管癌，冷凍消融成功率為 100%（27/27）。2017 年，美國研究人員在學術期刊 JVIR 上發表了一組關于低溫治療腎癌的臨床數據，共 302 名腎癌患者接受了低溫治療手術，32 個月后，腫瘤的復發率僅為 3.2%。
低溫治療癌癥蓬勃發展，對于癌癥患者來說，不僅僅是治療上有了新的更加低痛苦的選擇，更是帶來了生的希望。臨床上，對各種類型的早中晚期惡性實體瘤（比如肝癌、肺癌、乳腺癌等）患者，均可采取低溫治療方式。特別是對于那些失去了常規手術治療機會的晚期患者、轉移患者、年齡大或身體虛弱患者、不愿意進行常規手術的患者，低溫治療癌癥為他們提供了生的希望。
隨著低溫外科手術（也被稱為冷凍治療）在惡性腫瘤治療中令人鼓舞的大量成功應用，腫瘤微創冷凍治療逐漸成為低溫生物醫學技術在現代臨床實踐中發揮重大關鍵性作用的一個典范（圖 8）。以中國為例，經過短短十余年的快速發展，目前全國已有數百家醫院 (如北京大學腫瘤醫院、復旦腫瘤醫院、北京中醫藥大學東方醫院、中國人民解放軍總醫院等) 開展腫瘤冷凍治療業務，并呈快速增長趨勢；而在美國，開展冷凍治療的醫院已超過 450 家 ( 如 MD Anderson Cancer Center, Mayo Clinic, Mountain Sinai Hospital 等）。最近幾年，全球多個區域還紛紛成立冷凍治療學會，旨在推進這一新型高效腫瘤療法的研究和應用。不難看出，國內外醫學界對腫瘤冷凍治療技術具有廣泛而迫切的重大需求。
圖 8 復合式低溫冷凍腫瘤微創治療系統康博刀用于臨床治療腫瘤 [16]
3、低溫雙刃劍：默默無聞的保護 or 所向披靡的破壞？
低溫保存與低溫治療都是通過低溫來實現，那么兩者之間有什么差異呢？究竟兩者如何區分呢，又如何確保各自的效果呢？
低溫保存與低溫治療具有類似的操作流程：實施降溫使生物樣本處于低溫環境，再通過復溫使生物樣本處于常溫環境中。是否添加低溫保護劑：在低溫保存過程中，需要借助材料和技術的手段，減少相變過程中冰核的形成、抑制冰晶的生長和重結晶的出現（圖 9）。對于絕大部分哺乳動物有核細胞的低溫保存來說，在同樣的降復溫條件下，是否添加低溫保護劑決定了大多數生物樣品在低溫下產生的是保護作用還是破壞作用。無論低溫保存降溫速度快慢如何都需要添加一定濃度的低溫保護劑來避免低溫損傷，而低溫治療則不會添加保護劑且需要強化冰晶的作用。
圖 9 低溫保存與低溫治療差異性
由于生物樣本中大部分成分為水（超過 70%），所以控制冰晶的形成及生長對于低溫保存功至關重要，通過選擇合適的低溫保護劑可以實現冰晶的生長調控，那么，一般情況下應該如何選擇呢？通過添加抑冰材料（低溫保護劑）來調節冰晶成核和控制冰生長和形狀是十分可行的途徑（圖 10）。1949 年，英國生物學家 C. Polge 和 A. U. Smith 偶然發現甘油可以幫助精子經歷低溫冷凍而不死亡，使低溫保護劑作為低溫保存的一個重要研究方向登上歷史舞臺。低溫保護劑可以幫助保護生物樣本免受低溫損傷，在細胞凍存中常被配制成一定濃度的溶液，其可以通過減少冰形成量來減少細胞脫水。低溫保護劑在降低冰晶形成速率方面表現突出。低溫保護劑如多元醇和糖，特別是海藻糖和蔗糖，甚至可以替代與其結構相關的水，并防止變性或相變，以保護膜和蛋白質免于冷凍期間的干燥應激。在低溫保存方案的設計中，選擇合適的低溫保護劑組合，優化低溫保護劑的濃度對于生物樣本低溫保存效果的影響非常大。
圖 10 低溫保存劑對于抑制冰晶形成、生長、及修飾冰晶形貌的作用
降溫 / 升溫參數不同：不同的降溫及升溫速率導致的細胞破壞力不同（見圖 11）。在添加低溫保護劑進行保護的基礎上，針對不同細胞優化低溫保存的降溫和復溫參數可以提高細胞存活率。合適的降溫速率有助于維持冰晶損傷與溶液損傷之間的平衡（如圖 11 所示），對于一般的哺乳類細胞，降溫速率經常采用 1 ℃/min；而在升溫過程中，需要比較快的升溫速率，同時需控制復溫溫度在細胞熱損傷溫度之下，樣品從 -196 ℃ 液氮中取出放到 37 ℃ 水浴中快速復溫，這個過程一般控制在 1～2 min。在低溫治療過程中，探針附近的組織降溫速率較快，一般是 47～116 ℃/min；升溫速率也非常快，從 -196 ℃ 到 80 ℃ 的加熱循環一般控制在 2 min 之內，迅速在深低溫及高溫之間切換時組織產生的熱應力所造成的機械損傷對腫瘤細胞產生了致命的破壞。值得指出的是，當降溫速率足夠快時（比如，純水的臨界降溫速率為 3×108 ℃/min），可以實現低溫玻璃化保存（如圖 11a），但目前的低溫治療設備遠低于這個速度，只能起到低溫破壞作用。
除了升降溫速率不同，低溫保存和低溫治療的凍融循環次數也不同。低溫保存是為了讓生物樣本在低溫下維持低代謝甚至是零代謝狀態，為了降低冰晶對生物樣本的損傷在低溫保存中往往只有一次凍融循環。而低溫治療，根據需要可以對腫瘤組織進行多次凍融，以加強對腫瘤組織的破壞性。Whittaker 對倉鼠口腔粘膜進行了反復凍融，發現細胞內冰晶會在每次凍融循環的間隔中增加。所以，為了破壞腫瘤組織，需要快速冷凍組織，并進行反復凍融。
圖 11 不同降溫及升溫速率下的細胞損傷曲線
低溫作用對象尺度不同：低溫保存目前可以實現血細胞、懸浮細胞液、卵母細胞等細胞尺度樣品的成功凍存，對于 1 mm 以下的單一功能生物樣本如皮膚、角膜等也可以實現較高的存活率，但是，目前最為先進的低溫保存技術對于 1 mm 以上的復雜生物樣本（包括血管與多種異質細胞）仍存在嚴峻挑戰，而對于低溫治療的腫瘤組織，直徑一般都在 5 mm 以上，遠大于低溫保存對象尺度。因為隨著生物樣本體積增大，傳熱速度不均勻性增大，以及冰晶形成釋放大量潛熱，大尺度生物樣本的均溫一直是個難題。溫度的不均勻性及組織各向異性等引起熱膨脹不均勻，會造成嚴重的熱應力。當熱機械應力超過生物組織極限時，就會造成生物樣本的永久性損傷。
4、未來：低溫保存——無冰共生，低溫治療——遇冰皆消
在低溫保存領域，目前對于一些簡單的細胞，已經能夠實現比較理想的凍存復活率，但是對于復雜的多細胞生物體系，如大尺度組織、器官，甚至是復雜的生命活體的低溫保存仍有待于破解，低溫對于大尺度生物樣本生命周期的拓展深深吸引著研究人員的注意。在低溫治療領域，因諸多活體因素制約，如何確保復雜生理環境下腫瘤的適形化消融，在精準殺滅腫瘤組織的同時最大化保護健康組織和重要器官，以達到最優化治療效果，仍然是低溫治療技術研究的主要方向。
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引用
[1] https://www.sohu.com/a/78964231_257870
[2] https://www.163.com/dy/article/DUQF20150514QIFJ.html
[3] http://news.sina.com.cn/c/2012-02-22/184923974981.shtml
[4] https://www.sohu.com/a/216071699_100068111
[5] https://www.sohu.com/a/342740870_120280712
[6] http://baijiahao.baidu.com/s?id = 1685015835025447868&wfr = spider&for = pc
[7] https://www.sohu.com/a/483439375_121124452
[8] https://www.chinaabk.com/news/show-73470.html
[9] https://www.sohu.com/a/442038690_114778
[10] https://www.163.com/dy/article/G9DJ8IAA0515CG74.html
[11] https://bbs.iiyi.com/thread-1863549-1.html
[12]http://www.hxkfh.com/zuixindongtai/20170515100306-1918.html
[13] https://www.drmed.cn/Kidney-cancer/treatment
[14] http://m.fuda120.com/patientinfo/mnxtzl/325.html
[15] http://www.hxkfh.com/zuixindongtai/20160118171324-1421.html
[16]http://tv.cctv.com/2021/05/10/VIDEawZy62vbda3yZ3 h3BSBi210510.shtml
