聚兩性電解質(zhì)作冷凍保護劑的應(yīng)用及進展

牛文雅，占太杰，胥義

（上海理工大學(xué)生物系統(tǒng)熱科學(xué)研究所，上海 200093）

0 引言

生物樣本庫的建設(shè)是推動精準(zhǔn)醫(yī)療發(fā)展的重要基石之一[1-4]，而低溫保存被認為是高質(zhì)量保存生物樣本的重要措施[5-8]。特別是低溫生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域自20世紀(jì)70年代以來，諸多研究團隊深入研究了生物樣本降溫冷凍、貯藏、復(fù)溫以及臨床使用過程中存在的關(guān)鍵問題，如凍融過程中冰的形成和生長導(dǎo)致的機械性損傷以及細胞內(nèi)/外溶質(zhì)濃度的改變導(dǎo)致的滲透性損傷等[9-10]。在生物樣本低溫保存過程中添加低溫保護劑（Cryoprotective Agent，CPA），可以減少相關(guān)損傷，顯著提高樣本存活率，使生物樣本實現(xiàn)高質(zhì)量的長期保存[11-12]。

根據(jù)穿透細胞膜的能力，常用CPA可分為滲透性和非滲透性兩類。滲透性保護劑多為小分子中性物質(zhì)，如二甲基亞砜（DMSO）[13-15]、乙二醇[16]和甘油等，但這些可快速透過細胞膜的保護劑有一定的基因毒性，會造成細胞的DNA等遺傳物質(zhì)受到損傷。因此大多需要解凍后立即將其去除[17]；非滲透性保護劑多為小分子糖類或大分子物質(zhì)，如蔗糖[18-20]、羥乙基淀粉（HES）[21-22]、聚乙烯咯烷酮（PVP）[23-25]和抗凍蛋白（AFPs）[26-27]等，但這類保護劑不能透過細胞膜，可在胞外發(fā)揮作用，抑制冰晶生長，誘導(dǎo)胞內(nèi)脫水，使得胞內(nèi)濃度提高，實現(xiàn)胞內(nèi)玻璃化，一般與滲透性保護劑共同使用，可以減輕單一類型CPA對細胞的傷害、顯著提高細胞復(fù)溫后的存活率[28]。

近年來，圍繞著低毒性、高效率CPA的開發(fā)已成為生物樣本保存的熱點問題之一[29]。2009年，MATSUMURA等[30]首次報道了一種聚兩性電解質(zhì)羧化聚賴氨酸（COOH-PLL），該物質(zhì)有較低的細胞毒性和較高的冷凍保存效率，且與各種類型的細胞相容性較好，已經(jīng)成功實現(xiàn)了紅細胞[31]、人肺癌細胞（A549）[32]、小鼠胚胎[33]等樣本的冷凍保存，展現(xiàn)出了較大的應(yīng)用前景。但對于聚兩性電解質(zhì)作為冷凍保護劑的相關(guān)作用機制尚在探索中。

本文將介紹聚兩性電解質(zhì)現(xiàn)有的分類合成方法，闡述其在冷凍保存過程中潛在的低溫保護機制，并討論其作為一種新型CPA在低溫保存中的應(yīng)用研究進展。

1 聚兩性電解質(zhì)分類及合成方法

聚兩性電解質(zhì)也稱兩性聚電解質(zhì)[34]，是由帶正電和負電的單體亞基組成的聚合物體系。它們既可以是電中性的，也可以是帶有正或負電荷的[35]。這些帶電基團之間的分子間和分子內(nèi)離子相互作用會影響聚兩性電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[36]。依據(jù)它們在水溶液中對pH變化的響應(yīng)強弱（弱基團對pH變化的響應(yīng)更大），聚兩性電解質(zhì)存在4個亞類[37]（圖1）。已知的天然兩性電解質(zhì)包括蛋白質(zhì)和多肽[38]，電荷沿著其組成的一級結(jié)構(gòu)以序列定義的模式分布。但對于人工合成的聚兩性電解質(zhì)，電荷可以以無序或統(tǒng)計方式分布[39]。現(xiàn)階段聚兩性電解質(zhì)一般由聚兩性電解質(zhì)單體組成。而通過兩性離子單體的聚合、引入疏水/親水基團或者聚合后的修飾[40]等多種方法即可制備不同的聚兩性電解質(zhì)單體（圖2），如：逐步生長聚合（Step-growth）[41-42]、自由基聚合（Free Radical Polymerization，F(xiàn)RP）[43]、可逆失活自由基聚合（Reversible Deactivation Radical Polymerization，RDRP）[44-45]和開環(huán)易位聚合（Ring-Opening Metathesis Polymerization，ROMP）[46]等。隨著對各種合成方法的深入研究，可以聚合得到更多結(jié)構(gòu)不同的聚兩性電解質(zhì)，大大拓展了其在納米醫(yī)學(xué)[47]、材料科學(xué)[48]、催化[49]和海洋應(yīng)用[50]等方面的推廣和使用。

圖1 聚兩性電解質(zhì)的4個亞類的代表性結(jié)構(gòu)

圖2 應(yīng)用各種合成技術(shù)聚合成的聚兩性電解質(zhì)單體

2 聚兩性電解質(zhì)的冷凍保護機制探索

聚兩性電解質(zhì)作為一種低毒性的新型CPA，已經(jīng)成功用于小鼠成纖維細胞L929[51]、不同類型干細胞[52]、血液中紅細胞[53-54]等樣本的低溫保存。而深入探究其在低溫保存過程中的冷凍保護機制，將有助其推廣應(yīng)用于細胞工程和組織工程等領(lǐng)域。現(xiàn)階段，聚兩性電解質(zhì)作為CPA的保護機制主要包括冰重結(jié)晶抑制活性、與細胞膜的相互作用、在細胞周圍形成緩沖區(qū)域3種不同的假說。

2.1 冰重結(jié)晶抑制活性假說

細胞冷凍保存后復(fù)溫的過程中，冰晶的再生長會導(dǎo)致膜破裂和脫水，從而導(dǎo)致細胞死亡[55]。有研究表明可以利用冰重結(jié)晶抑制劑來控制該過程。如自然界廣泛存在的、具有較高熱滯活性、能改變冰晶生長特性和抑制冰晶重結(jié)晶的蛋白質(zhì)，即抗凍（糖）蛋白（AF(G)Ps）[56-57]。受AF(G)Ps啟發(fā)[58]，MITCHELL等[59]在2014年首次對聚兩性電解質(zhì)的冰重結(jié)晶抑制（IRI）活性進行定量研究。通過對聚甲基丙烯酸氨基乙酯后聚合改性、然后與琥珀酸酐反應(yīng)生成聚兩性電解質(zhì)，結(jié)果顯示出較強的IRI活性，可以很大程度上降低細胞等樣本在復(fù)溫過程中冰重結(jié)晶風(fēng)險。為了直觀了解聚兩性電解質(zhì)的IRI活性，STUBB等[60]對比了聚兩性電解質(zhì)與PBS緩沖劑在顯微鏡下的冰晶尺寸。結(jié)果顯示聚兩性電解質(zhì)的平均晶粒尺寸更小，顯示出在抑制冰晶生長方面有較好的作用。盡管如此，聚兩性電解質(zhì)的IRI活性仍小于AF(G)Ps，說明冰重結(jié)晶活性可能并不是聚兩性電解質(zhì)冷凍保護機制的主要原因，但利用AF(G)Ps的結(jié)構(gòu)進行新型聚兩性電解質(zhì)的合成，可能提高其冰重結(jié)晶抑制活性，從而實現(xiàn)更高效率的樣本保存。

2.2 與細胞膜的相互作用假說

盡管IRI活性是決定整個凍存體系防凍能力的重要參數(shù)之一，但在保存生物樣本時，聚兩性電解質(zhì)如何與生物樣本相互作用可能更加關(guān)鍵。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細胞在聚兩性電解質(zhì)溶液中冷凍時，聚兩性電解質(zhì)分子會附著在細胞膜上[62]，維持膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并且這種作用隨著聚合物濃度的增加以及疏水性基團的引入而增強[63]，如圖3所示。

圖3 聚兩性電解質(zhì)與細胞膜相互作用[63]

CROWE等[64]發(fā)現(xiàn)海藻糖或蔗糖等物質(zhì)可以穩(wěn)定細胞膜結(jié)構(gòu)，降低其從凝膠態(tài)到液晶態(tài)的相變溫度。RAJAN等[63]研究了聚兩性電解質(zhì)與細胞的相互作用，利用差示掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimeter，DSC）獲得聚兩性電解質(zhì)存在時脂質(zhì)的熱譜圖，發(fā)現(xiàn)聚兩性電解質(zhì)同樣也可以降低了磷脂膜的雙層凝膠-液晶的轉(zhuǎn)變溫度，并且隨著聚兩性電解質(zhì)濃度的增加，轉(zhuǎn)變溫度下降的越明顯。為了進一步證明其與膜的相互作用方式，采用電子自旋共振（Electron Spin-resonance Spectroscopy，ESR）光譜，通過探針對膜磷脂雙分子層進行旋轉(zhuǎn)標(biāo)記，研究聚兩性電解質(zhì)對膜極性區(qū)域的影響，發(fā)現(xiàn)具有明顯冷凍保護特性的聚兩性電解質(zhì)會與膜的外表面相互作用，這種相互作用可以保護膜免受各種冷凍誘導(dǎo)的破壞。據(jù)此，這種與細胞膜的強烈相互作用被諸多研究者看作聚兩性電解質(zhì)冷凍保護機制一個重要組成部分。

2.3 細胞周圍形成緩沖區(qū)域假說

除了冰重結(jié)晶抑制活性、膜保護機制外，還有一種觀點認為：聚兩性電解質(zhì)在細胞周圍形成富含聚合物的液相，在細胞周圍提供無冰的局部環(huán)境，并促進細胞脫水以抑制細胞內(nèi)的冰晶[65]。解凍過程中，聚合物的液相區(qū)域融化速度快，細胞被濃縮的聚合物溶液包圍覆蓋，從而在細胞和剩余的冰之間形成了一個緩沖區(qū)，這個緩沖區(qū)可以減小重結(jié)晶帶來的細胞損傷（圖4）。因此，這種作用機制可能賦予了聚兩性電解質(zhì)高效的冷凍保存效率。

圖4 細胞周圍形成緩沖區(qū)域[65]

3 聚兩性電解質(zhì)冷凍保護劑的應(yīng)用

聚兩性電解質(zhì)具有補充或替代DMSO和其他冷凍保護劑（例如非滲透性CPA）的潛力。前期關(guān)于聚兩性電解質(zhì)在冷凍保存方面的工作都集中于琥珀酸酐改性的羧化聚賴氨酸[30]（COOH-PLL），因其優(yōu)良的低溫保存特性，逐漸吸引了更多的研究人員開發(fā)了一系列的聚兩性電解質(zhì)用作CPA，將它們單獨使用或與其他CPA結(jié)合使用時都能提高樣本的存活效率，如表1所示。

表1 其它聚兩性電解質(zhì)作為冷凍保護劑

3.1 聚兩性電解質(zhì)在冷凍保存中的應(yīng)用

3.1.1 第一種用作保護劑的聚兩性電解質(zhì)

2009年，MATSUMURA等[30]首次發(fā)現(xiàn)在保存L929細胞時，通過合成COOH-PLL（制備路線如圖5所示）用作CPA可以實現(xiàn)良好的保存效果，且表現(xiàn)出比DMSO更高的冷凍保存效率和更低的細胞毒性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，COOH-PLL的保護效果與其正負基團比例相關(guān)（如表2），當(dāng)其正負基團擁有適量比例且羧基略多時IRI活性最高，冷凍保存效果最好，這說明聚兩性電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)對保護效果至關(guān)重要。另有文獻[62]證明COOH-PLL不會影響細胞的表型特征和后續(xù)增殖能力，細胞在-80 ℃冰箱凍存24個月，解凍后仍能保持其良好的存活和增殖能力。對于部分哺乳動物細胞的冷凍保存，如牛卵丘細胞[66]、人真皮成纖維細胞等[67]，選用COOH-PLL作為單一型CPA可實現(xiàn)其低溫保存。

圖5 羧化聚賴氨酸（COOH-PLL）制備路線[30]

表2 使用不同羧基/氨基比例的COOH-PLL保存，解凍后的L929細胞活力

而對于豬胚胎、胰島等大型樣本的低溫保存，COOH-PLL單一型CPA效果并不理想。若此時將COOH-PLL與其他CPA（乙二醇、甘油和葡聚糖等）結(jié)合使用，保存效率則會有明顯的提升。表3所示為COOH-PLL單一使用或與其他CPA結(jié)合使用時保存各類細胞的研究進展。

表3 COOH-PLL作為冷凍保護劑

1.3.2 其余物質(zhì)為前體的聚兩性電解質(zhì)

COOH-PLL展現(xiàn)了出色的保護效果，但制備COOH-PLL所需的前體聚賴氨酸較為昂貴。于是MITCHELL等[54]利用一種低成本的共聚物，即馬來酸酐作為前體，通過自由基聚合反應(yīng)生成1∶1正負電荷比的聚兩性電解質(zhì)。并且證明這種聚兩性電解質(zhì)顯示出特定的IRI活性，與羥乙基淀粉共同使用時可以顯著提高冷凍保存后紅細胞的存活率。通過自由基聚合反應(yīng)合成的聚兩性電解質(zhì)高效且成本低廉，但無法控制聚合物的分子量及其分散性。BALLEY等[53]同樣基于馬來酸酐共聚物為前體開發(fā)了一種的新型區(qū)域規(guī)則性的聚合物，這種聚兩性電解質(zhì)與DMSO相比，不僅可以使解凍后的A549細胞存活率達89%以上，而且還可以使更弱的細胞系，如小鼠腦神經(jīng)母細胞瘤細胞（Neuro-2a）和小鼠顱骨成骨細胞（MC-3T3）存活率提高三倍。另外，ZHAO等[65]合成以丙烯酰胺基為前體合成的三元聚兩性電解質(zhì)（PDA30與PDA45），材料同樣易得、且水解穩(wěn)定，合成步驟簡單。但這種新型的保護劑顯示出分子結(jié)構(gòu)和分子量的依賴性，僅當(dāng)分子量為49 kDa的PDA30表現(xiàn)出與10%DMSO相近的低溫保護效果。然而，僅使用丙烯酰胺基為前體的聚兩性電解質(zhì)作為CPA保存后的細胞，經(jīng)過24 h后存活率會略微降低。但若是將2%的DMSO加入到10%丙烯酰胺基為前體的聚兩性電解質(zhì)中，可顯著改善細胞存活率。

RAJAN等[61]利用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合（RAFT）的方式，以甲基丙烯酸（MAA）和甲基丙烯酸-2-(二甲氨基)乙酯（DMAEMA）為前體合成了一種聚兩性電解質(zhì)。這種新型的聚兩性電解質(zhì)可以將凍融后L929細胞的存活率提高到90%以上。與此同時，少量疏水性基團的引入可以顯著提高它們的低溫保護性能。其中可能的原因是疏水度的增加導(dǎo)致冰晶尺寸減小[64]。但引入疏水性基團增加低溫保存效率不是通用的。ZHAO等[65]將疏水性基團結(jié)合到聚兩性電解質(zhì)中，期望進一步提高細胞存活率。但是發(fā)現(xiàn)隨著疏水性基團濃度增加細胞存活率反而下降?？赡艿脑蚴蔷蹆尚噪娊赓|(zhì)在較高的疏水含量下，聚合物鏈的溶劑化減弱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)塌陷。其中大部分疏水基團都在塌縮的螺旋內(nèi)，無法發(fā)揮作用。從而導(dǎo)致對冰晶的抑制作用較弱。因此疏水性基團的引入如何改善聚兩性電解質(zhì)的冷凍保護活性仍需要進一步研究。

通過不同前體物質(zhì)的探索，應(yīng)用到不同生物樣本中，聚兩性電解質(zhì)作為CPA表現(xiàn)出良好的低溫保存效果，盡管部分聚兩性電解質(zhì)暫時不能完全代替DMSO作為冷凍保護劑，但是通過與其他類型的CPA聯(lián)合使用，有望實現(xiàn)傳統(tǒng)含DMSO型保護劑替代使用。

3.2 聚兩性電解質(zhì)CPA的新型使用方法

傳統(tǒng)聚兩性電解質(zhì)作為CPA使用時，通過直接溶解在水溶液中制得CPA溶液體系，再加載到生物樣本中進行低溫保存，但是通過化學(xué)合成方法，利用聚兩性電解質(zhì)內(nèi)部帶電荷的官能團之間的離子交聯(lián)形成的聚兩性電解質(zhì)水凝膠，表現(xiàn)出良好的生物相容性[72]與多功能性，且在控制藥物釋放、調(diào)控降解過程以及定標(biāo)靶向位置等方面顯示出較大的應(yīng)用價值[73]。

聚兩性電解質(zhì)水凝膠也可作為低溫保存載體，用于細胞生物樣品的低溫保存。2013年，JAIN等[74]利用點擊化學(xué)法開發(fā)出一種基于葡聚糖的聚兩性離子水凝膠（圖6），用于在冷凍保存之前封裝細胞形成構(gòu)建體。這種基于葡聚糖的聚兩性電解質(zhì)水凝膠可將L929細胞存活率提高到90%，并且無需同時加載其他CPA。但這種水凝膠只對懸浮細胞顯現(xiàn)出良好的保護效果，在保存單層細胞或者厚度較大的樣品時效果不佳。除了利用點擊化學(xué)法制備的聚兩性電解質(zhì)水凝膠，JAIN等[75]利用聚兩性電解質(zhì)與鋰皂石之間相互作用，將解凍后載有聚兩性電解質(zhì)的細胞與適量的皂石混合形成智能水凝膠，用于特定部位的細胞遞送和組織修復(fù)。細胞在這種水凝膠系統(tǒng)中凍融后仍能存活，使用時無需洗脫CPA。因此有希望使其成為長期儲存系統(tǒng)和合適的現(xiàn)成組織工程產(chǎn)品。

圖6 聚兩性電解質(zhì)水凝膠用于細胞包封和冷凍保存[74]

聚兩性電解質(zhì)水凝膠在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中有巨大潛力[76]。盡管聚兩性電解質(zhì)水凝膠在CPA中的應(yīng)用較少，但未來可研究該系統(tǒng)是否可以應(yīng)用于更復(fù)雜的細胞或組織中、或者通過與其他相關(guān)技術(shù)手段相結(jié)合，進一步發(fā)揮其在低溫保存應(yīng)用中的價值。

4 結(jié)論

本文介紹了聚兩性電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)多樣性、分析了聚兩性電解質(zhì)作冷凍保護劑的保護機制，整理了當(dāng)前不同聚兩性電解質(zhì)冷凍保護劑的保存效率，得出如下結(jié)論：

1）新型聚兩性電解質(zhì)保護劑，具有高效、低毒的顯著優(yōu)勢；

2）聚兩性電解質(zhì)的保存效率與其分子量、正負基團比例、疏水性基團濃度密切相關(guān)；

3）聚兩性電解質(zhì)優(yōu)化使用后可將生物樣本存活率提高至90%以上；聚兩性電解質(zhì)制備成低溫保存水凝膠具有更加廣泛的應(yīng)用前景；

4）在未來，需要更加深入研究聚兩性電解質(zhì)的冷凍保護機制，探索聚兩性電解質(zhì)是否可用于保存更復(fù)雜的對象，并開發(fā)毒性更低、價格更低廉和更易于合成的聚兩性電解質(zhì)用作CPA，為聚兩性電解質(zhì)的新式應(yīng)用提供更多的可能性。