生物膜的保护剂海藻糖在冻干红细胞中的应用
【摘要】 海藻糖作为一种稳定的非还原性双糖，在细胞冷冻、干燥、冻干过程中对细胞活性有着良好的保护作用并已广泛应用于人血细胞的冻干。海藻糖以其异常的水合能力、独特的玻璃化转换和晶体转变行为及抗高温潮湿的特性受到密切关注，并成为细胞保存研究中首选的一种保护剂。海藻糖对细胞的保护机制、海藻糖导入哺乳细胞的实验方法以及红细胞对海藻糖负载的可能作用机制都是近几年细胞保存研究的热点，本文就以上几方面的进展详细进行论述。
Trehalose —A Biomembrane Protectant Applyied to Lyophilization of Human Red Blood Cells——Review。
AbstractTrehalose, as a nonreducing disaccharide, plays a role in protecting the cytoactivity when the cells is freezing, drying or lyophilization. It has been a biomembrane protectant applied to lyophilization of human blood cells (platelets and erythrocytes), and from which astonishing results have been obtained. Having powerful hydration, distinctive vitrification transform and crystal transform and unique resistance of high temperature and humidification, trehalose is thought of a preferred protectant in the study of cell preservation. In recent years, people concerned trehalose on its protective mechanism, experimental means of transit trehalose to mammal cells and the mechanism of loading in red blood cells. The above aspects were briefly summarized in this article.
Key wordstrehalose； vitrification； lyophilization； erythocyte。
海藻糖作为一种稳定的非还原性双糖，在一些微生物、低湿休眠脊椎动物和更苏植物中有较高的浓度。当这些生物处于干燥脱水或高渗环境时，海藻糖可以在细胞膜外形成一种玻璃状的防护层，提高了细胞的渗透压耐受性或耐干燥性，从而在干燥状态下保护生物体细胞内的蛋白质、脂类、糖类、核酸等组分不受破坏，使细胞继续保持活性［1］。鉴于海藻糖对低等生物细胞具有这种特殊的保护作用，人们开始尝试探索海藻糖是否对高级哺乳动物细胞也有类似的作用，研究发现海藻糖对一些体细胞，如胰岛内分泌细胞［2］和成纤维细胞［3，4］都有不同程度的保护作用。近几年，人们将海藻糖应用于人类血细胞的冷冻保存或冻干保存中。Pellerin—Mendes等［5］在采用不同浓度的海藻糖冷冻保存红细胞的研究中发现，红细胞在1 mol/L海藻糖溶液中深低温保存后细胞回收率达到81％，上清液游离血红蛋白的浓度仅为0.4 g/L，和传统的甘油冷冻法获得的结果无明显差异。Wolkers等［6］已经成功地将海藻糖导入人血小板的胞质内，其机制可能是温度介导的细胞内吞作用。实验结果显示，负载海藻糖的血小板经冻干后，其存活率大约为90％，复水后存活的血小板功能全都恢复，且已用于动物实验。
海藻糖的独特性质。
很多学者在比较了海藻糖与其他一些小分子量糖类之后，发现海藻糖具有其特有的物理和化学性质，而正是这些特有的性质使其具有特有的保护作用。
海藻糖的异常水合能力。
Kawaai等［7］的研究表明，在已研究的二糖中，海藻糖周围的不冻水分子数最大，如果以每个葡萄糖单位周围的不冻水分子数计算，海藻糖的不冻水分子是糖类最多的。Magazu等［8］比较了海藻糖/水和蔗糖/水在玻璃化相转变附近的振动性质，认为海藻糖/水具有更刚性的结构，也就是说，它能把细胞包封在一种更刚性的结构中，因此海藻糖抗冷冻脱水的能力更强。
近几年来,玻璃化及玻璃化转变理论逐渐应用于冻干过程的研究。玻璃化是一种避免冰晶形成的低温保护方法，无冰晶固态结构的玻璃态，由于黏度大，流动性差，能阻碍分子扩散和冰晶形成，因而可防止一些化学反应的发生。因此形成玻璃态不仅可以防止冰晶的产生,还可以稳定蛋白质的结构。溶液的玻璃化相变温度(Tg)高可使样本在干燥时及以后的保存中有更高的稳定性［9］。海藻糖的Tg是120℃，比其他双糖体系的相变温度要高得多。任何浓度的海藻糖溶液都比其糖类有更高的玻璃化相变温度，此外高浓度的海藻糖溶液比其他糖类更不容易形成冰晶。Sussich等［10］认为，细菌在失水时获得的休眠状态不仅是因为海藻糖较高的Tg导致的黏度增加，而且与水分失去时的晶型分子排列的变化有关。他们发现了一种无水晶态海藻糖分子。这种晶态的化合物具有独特的可逆性吸收水分，转化成二水化合物，而不改变主要结构特性的作用。这种可逆的过程在海藻糖对生物细胞抗脱水能力的保护上起了非常重要的作用。
Leslie等［11］报道，在有海藻糖存在的条件下冻干后的细菌具有高度的存活率。他们进一步发现，用海藻糖作为冻干保护剂时，将冻干样品（细菌）长时间暴露在潮湿的空气中，细菌仍保持了高度活性。Esteves 等［12］在最近的实验中指出，在进行免疫交联物的冻干过程中，海藻糖和其他双糖均表现出不同程度的保护作用。但若将冻干样品保存在相对潮湿的高温条件下，用海藻糖作为冻干保护剂的冻干样品比其他样品更加稳定。这一结果对在较恶劣的条件下保存和运输免疫交联物、疫苗、抗血清等产品的有着重要意义。在理想的干燥和保存条件下，海藻糖也并不是唯一最佳的保护剂。相关研究表明，联合应用多聚体和其他小分子量糖类，对细胞也会起到相似的保护作用［13，14］，在某些保存条件下，甚至会起到更好的效果。但在较差的环境中，海藻糖却能够比其他糖类更好地维持细胞的稳定性。所以，海藻糖作为一种细胞保存研究中首选的保护剂仍然受到密切的关注。海藻糖对细胞的保护机制海藻糖对细胞的保护机制一直是众多研究的热点，目前主要有以下两种观点。
水替代学说。
生物体中的蛋白质、糖、脂肪和其他大分子物质均被一层水膜保护着。在干燥过程中，水分逐渐消失，导致这些大分子物质发生不可逆的变化，如蛋白质分子的空间结构的变化。Crowe等［15］认为，当蛋白质结构水失去时，海藻糖可在失水部位以羟基和分子形成氢键，这使得分子在缺水条件下仍能保持其原有结构，而不丧失活性。脱水过程中，海藻糖一方面能和磷脂形成氢键，抑止膜泡聚合，另一方面在高温下能有效降低膜相变温度，防止再水化时发生吸水破坏。
玻璃态学说。
大多数的研究者都认为海藻糖的玻璃化状态在长时间保存细胞活性中发挥了重要作用。生物细胞的玻璃化状态被认为是细胞脱水过程中膜保护的机制之一，玻璃化既可以发生在室温条件下（干燥），也可以发生在零度以下（降温冷冻）。在这两种情况下，只要溶液粘滞度升高到～1014Pa/s（溶液浓度增加或温度降低均可造成溶液粘滞度的升高）就会出现溶液的玻璃化态。玻璃化状态何以能保护细胞膜？这是由于：① 玻璃化抑止降温时冰晶的形成，避免了深低温保存时细胞受到的冰晶伤害和由于局部离子浓度过高而造成的化学伤害；② 在胞膜可以发生损害性相变的温度和水合条件下，保护液的玻璃化则可以降低解链温度（Tm），尽可能地保持胞膜的流动状态。在冻干脂质体的研究中，当有海藻糖的存在时，脂质体的Tm在干燥状态时降低到—20℃，从而使脂质在干燥状态下仍能保持液晶态，再水化过程中也不出现脂质的相位转化。
在早期的冻干研究中，冷冻之前细胞在含有葡萄糖的缓冲液中进行孵育。除此之外，在细胞外加入一种多聚体（羟乙基淀粉或者葡聚糖）来提高溶液的玻璃化温度（Tg）。这种混合使用低分子量糖和有较高Tg的多聚体在体外干燥保存脂质体取得了很好的效果［16］，但在冻干保存红细胞时，羟乙基淀粉或葡聚糖对细胞的稳定作用会降低，这可能是因为多聚体的体积较大，很困难使其进入细胞内部所致。使用二糖作为冻干保护剂面对的主要问题是如何解决质膜对这些糖类的非渗透性，而使其在胞内达到足够高的浓度来发挥作用。冻干人红细胞的第一步，应该是实现红细胞对海藻糖的负荷。对一个成功的冻干红细胞的方案，将海藻糖导入细胞质是关键的一步。国外将海藻糖导入哺乳动物细胞的实研究方法如下。① Oliver等［17］和Wolkers等［6，18］利用细胞内吞作用在不同的实验中分别将海藻糖导入人的间质干细胞和血小板。② Beattie等［2］利用胞膜在磷脂相转变过程中的易渗性成功地将海藻糖导入胰岛细胞。作者指出，二甲亚砜可能作为一种弱的表面活性剂在膜的相变过程中大大增加海藻糖的渗透性。③ Eroglu等［19］和Chen等［4］利用转基因的α—溶血素金黄色葡萄糖球菌，一种打孔蛋白，在哺乳动物细胞胞膜上产生跨膜孔形成可逆性的透化处理。通过这种方法，作者发现海藻糖可以改善几种人类细胞系对冷冻和干燥处理的耐受性。④ Guo等［20］和Puhlev等［21］通过基因表达编码人类包皮纤维母细胞的6—磷酸海藻糖合酶和6—磷酸海藻糖磷酸酶，从而增加此种细胞干燥耐受性。同样的，另一种转基因的哺乳动物细胞株，可使胞内海藻糖浓度达到80 mmol/L，也使其渗透脆性得到改善。⑤Katkov等［22］和Shirakashi等［23］在其他的海藻糖负荷研究中，对哺乳动物细胞施行电打孔术。尽管海藻糖可较容易的进入细胞内，但打孔后的细胞常常渗透脆性增加，不适合进一步冻干保存。⑥Satpathy等［24］在最近的研究中采用了一种有效的，温和的方法将海藻糖导入人红细胞。这种方法基于红细胞胞膜的热性质并提供红细胞对海藻糖在37℃足够的吸收时间（7小时）。数据表明，通过细胞内外渗透压不平衡和磷脂相变的联合作用可使胞内海藻糖浓度达到50 mmol/L。