组织和器官的低温保存可以给医学和医学科学带来革命性的变化。在过去的几十年里，尽管组织和器官的低温保存一直是人们追求的目标，但取得的进展却十分有限。一个关键的原因是目前用于细胞冷冻保存的低温保护剂(CPAs)由于其细胞毒性和组织破坏作用以及控制结冰效率低，因而不能有效地保存组织和器官。与此形成鲜明对比的是，大自然有其独特的控制冰形成的方法，许多生物都能有效地防止冻害。冰结合蛋白(ice-binding proteins, IBPs)被认为是这些生物体内调节冰成核和生长的重要物质。值得注意的是，目前报道了许多关于利用IBPs及其模拟物低温保存组织和器官有争议的结果，即，一些研究小组发现，IBPs和模拟物在组织低温保存中表现出独特的优势，而其他研究小组表明这会有不利的影响。
鉴于此，中国科学院化学研究所王健君研究员课题组在简要介绍了低温损伤和传统CPAs在组织和器官低温保存方面面临的挑战之后，系统分析了引起争议的可能原因，并预测了未来IBP启发的冰结合材料作为新CPAs的研究方向，以及其未来的结构和设计。该综述以“Bioinspired Ice-Binding Materials for Tissue and Organ Cryopreservation”为题发表在最新一期的《Journal of the American Chemical Society》。该团队刘樟助理研究员为本文的第一作者。
图1. 对组织和器官进行低温保存的迫切需要。
低温保存通过在低温下完全停止所有代谢活动，使组织和器官的存储时间不受限制而不变质，这将给医学和医学科学带来革命(图1a)。目前，几乎所有捐赠的组织和器官都只能在4-8°C的低温下保存几个小时，这导致了很不幸的高丢弃率。而目前组织和器官低温保存的主要挑战是不受控制的冰形成，这会导致机械损伤和渗透压应激，对细胞内和细胞间结构造成不可逆的破坏。因此，必须使用低温保护剂(cryoprotective agents, CPAs)来控制冰的成核/生长，以防止或最小化低温保存过程中对组织和器官的破坏。
图2. 冰致低温损伤和常规低温保护剂
传统的CPAs包括渗透性分子，如醇、亚砜和酰胺，以及非渗透性分子，如糖、糖醇和聚合物，所有这些都具有突出的氢键(HBs)形成能力。随着浓度的增加，CPAs的存在可以降低冰成核温度，提高玻璃化转变温度，从而大大降低了成冰的机会(图2b)。总之，传统的CPAs遵循依数定律降低冰成核温度，即浓度依赖，并通过与水分子形成HBs促进水的玻璃化。
图4. (a)在生活在极端寒冷生境的不同物种中发现的一些典型的AFPs结构。(b) IBF和NIBF顶部的水分子侧视图。(c) AF(G)Ps可以降低冰点TH，抑制再结晶IRI，使冰晶成形。(d)模型蛋白的冰成核效率随冰结合位点长度L的变化。
【自然策略：冻结或不冻结】
自然界中的许多生物可以在过冷甚至零下的栖息地中生存(图3a)。为了保持过冷状态或在冷冻状态下生存，这些生物进化出了各种策略，防冻(糖)蛋白(AF(G)Ps)由于具有控制冰成核/生长的独特能力而被发现是一种特殊类型的材料。
【IBPs在低温保存中的争议】
受IBPs在有效控制冰成核/生长和保护生物体免受冰相关损伤方面的启发，IBPs在组织和器官的低温保存中应用的研究持续进行。与通过“免冻”或“耐冻”在冷冻损伤中存活的生物体相似，具有IBPs的组织和器官的保存可分为避免-冷冻和耐冻-冷冻。
图5. AF(G)Ps在调节冰形成中的争议。(a) AF(G)Ps的Janus特性以及通过分子相互作用和分子聚集暴露或掩埋IBFs可以极大地影响AF(G)Ps控制冰生长的活性。(b) AF(G)P聚集体横向尺寸增大导致冰成核温度升高。(c) AF(G)Ps在INPs上或INPs之间的吸附可以抑制或促进成核活性。
图6. 不同组织和器官内微环境的多组分、拥挤和异质性影响了IBPs的构象、聚集和分布，这可能深刻影响其在组织和器官低温保存中的冰调节活动。
图7. (a)为控制冰的形成而建造IBMs的指导方针。(b) ZrAc提出的冰识别机制。(c)红花素-O在冰晶上的超分子叠加吸附。(d)聚乙烯醇(PVA)通过重复的羟基与冰晶结合。(e)二维石墨烯衍生物的冰吸附。
图8. 理想的IBMs低温保存组织的方案。
【结论】
组织和器官短缺是当今生物医学面临的最大危机之一，成功冷冻保存组织和器官可以大大增加它们的可用性；因此，低温保存应该被放在优先考虑的首位。组织和器官低温保存的关键挑战是有效控制冰的形成，这是广泛应用于细胞低温保存的CPAs无法实现的。因此，我们需要发现一种能够高效调节冰形成的新型CPAs。了解一些生物体保护自身免受冻害的机制，为解决组织和器官在低温保存过程中不受控制的冰形成提供了一种独特的解决方案，现在由于成像、测序、组学等方法的快速发展，这是非常可能的。已经发现，IBPs是这些生物用于调节冰的形成，从而保护自己免受冻害的必不可少的材料。因此，建立一个受IBPs启发的材料库，用于有效的CPAs控制冰的形成，可以为组织和器官的低温保存开辟一个全新的途径。需要注意的是，为组织和器官的低温保存而设计的冰结合材料库的构建需要跨学科的协同研究，以便准确评估低温保存前后的多层结构和生理功能，从而，新型IBMs的设计和合成可以得到及时的反馈。同时，各种新开发的技术可以对冷冻保存后的组织器官的功能进行适当的干预。此外，利用纳米粒子与电磁场结合的再加热技术也提供了快速和/或统一加热的新方法。
