生物保存：生物材料储存综合指南

生物保存，即为未来使用而保存生物材料，是现代生物医学研究、诊断和治疗的基石。本综合指南深入探讨了生物保存的原理、技术、应用和伦理考量，为这一关键领域提供了全球视角。

什么是生物保存？

生物保存包含一系列旨在维持细胞、组织、器官、DNA及其他生物标本等生物材料的活性和完整性的技术。其目标是最大限度地减少降解，并在长时间内保持这些材料的功能特性。这些材料对于各种应用至关重要，包括：

• 研究：研究疾病，开发新疗法，以及理解基本生物学过程。
• 诊断：识别疾病，监测患者健康，以及个性化治疗策略。
• 治疗：细胞疗法、再生医学和移植。
• 药物发现：筛选潜在候选药物，并了解药物作用机制。
• 保护：保存濒危物种，维持生物多样性。

常见的生物保存技术

目前有多种生物保存方法被采用，每种方法都有其优缺点。方法的选择取决于生物材料的类型、预期应用和储存期限。

冷冻保存

冷冻保存涉及将生物材料冷却至超低温，通常使用液氮（-196°C或-320°F）。在这些温度下，生物活动实际上被中止，从而防止降解并允许长期储存。冷冻保存的关键方面包括：

• 冷冻保护剂（CPAs）： 这些物质，如二甲基亚砜（DMSO）和甘油，被添加到材料中，以最大限度地减少冷冻和解冻过程中的冰晶形成，因为冰晶会损伤细胞。CPAs的浓度和类型必须针对每种细胞类型和组织进行仔细优化。
• 程序性降温： 以受控的速率（例如，每分钟1°C）缓慢降低温度，以最大限度地减少细胞内冰晶的形成。使用专门设备来实现这种受控冷却。
• 玻璃化冷冻： 作为缓慢冷冻的替代方法，玻璃化冷冻涉及将材料迅速冷却至玻璃态，而没有冰晶形成。这需要高浓度的CPAs和极快的冷却速率。
• 储存： 样本通常储存在液氮罐中或液氮上方的气相中。对温度和液氮水平的适当监控对于确保样本完整性至关重要。

示例： 冷冻保存被广泛用于储存用于骨髓移植和再生医学应用的干细胞。例如，造血干细胞通常被冷冻保存，用于自体（患者自身细胞）或异体（供体细胞）移植，以治疗白血病、淋巴瘤和其他血液疾病。在日本，研究人员正在探索利用冷冻保存技术来保存濒危物种的种质。

冷藏

冷藏涉及将生物材料储存在冰点以上的温度，通常在2°C至8°C（35°F至46°F）之间。这种方法适用于不需要长期保存的样本的短期储存。冷藏的注意事项包括：

• 温度控制： 在指定范围内保持稳定温度对于防止降解至关重要。
• 无菌性： 防止微生物污染对于维持样本完整性至关重要。
• 适当的容器： 使用适当的容器以尽量减少蒸发并保持样本水分是很重要的。

示例： 用于常规临床分析的血液样本通常在处理前于4°C下短期储存。同样，一些疫苗需要冷藏以保持其效力。

冻干（冷冻干燥）

冻干涉及通过在真空下升华从冷冻样品中去除水分。此过程产生一种稳定的干产品，可在室温下长期储存。冻干的关键步骤包括：

• 冷冻： 首先将样品冷冻以固化水分。
• 一次干燥： 然后在真空下通过升华去除冷冻的水分。
• 二次干燥： 在真空下通过提高温度去除残留水分。

示例： 冻干常用于保存细菌、病毒和蛋白质，以供研究和诊断之用。例如，用于药品生产质量控制的细菌培养物通常被冻干以实现长期储存和稳定性。

化学保存

化学保存涉及使用化学固定剂，如福尔马林或戊二醛，来保存组织样本。这些固定剂交联蛋白质并稳定细胞结构，从而防止降解。化学保存的关键考量包括：

• 固定剂选择： 固定剂的选择取决于预期应用。福尔马林常用于常规组织学，而戊二醛常用于电子显微镜。
• 固定时间： 固定的持续时间对于确保充分保存而不造成过度损伤至关重要。
• 储存条件： 固定后的组织通常储存在福尔马林或酒精中。

示例： 用于癌症诊断的组织活检通常用福尔马林固定，以保存细胞形态并允许进行显微镜检查。

生物保存的应用

生物保存在广泛的应用中发挥着关键作用，包括：

生物样本库

生物样本库是收集、处理、储存和分发用于研究目的的生物样本及相关数据的存储库。它们是研究疾病、开发新诊断和疗法以及推进个性化医疗的重要资源。

• 人群生物样本库： 从大规模人群中收集样本和数据，以研究导致疾病的遗传和环境因素。例子包括英国生物样本库和爱沙尼亚生物样本库。
• 疾病特异性生物样本库： 专注于从患有特定疾病（如癌症或糖尿病）的患者那里收集样本和数据。
• 临床生物样本库： 整合在医疗保健系统内，这些生物样本库从接受常规临床护理的患者那里收集样本和数据。

再生医学

再生医学旨在使用细胞、生物材料和生长因子来修复或替换受损的组织和器官。生物保存对于为这些疗法储存细胞和组织至关重要。

• 细胞疗法： 涉及将细胞移植到患者体内以治疗疾病。例如，用于治疗白血病的干细胞移植和用于治疗癌症的CAR-T细胞疗法。
• 组织工程： 涉及在实验室中创建功能性组织和器官以供移植。

药物发现

生物保存的细胞和组织用于药物发现，以筛选潜在候选药物，了解药物作用机制，并评估药物毒性。

• 高通量筛选： 使用自动化系统筛选大量化合物库以对抗细胞靶点。
• 药物代谢和药代动力学（DMPK）研究： 研究药物在体内的代谢和消除方式。

保护生物学

生物保存用于保存濒危物种的遗传物质并维持生物多样性。

• 精子和卵子冷冻保存： 保存生殖细胞用于人工授精和体外受精。
• 胚胎冷冻保存： 保存胚胎用于未来的繁殖计划。
• DNA库： 储存DNA样本用于遗传分析和保护工作。

生物保存中的质量控制

维持生物保存材料的质量和完整性对于确保可靠的研究和临床结果至关重要。关键的质量控制措施包括：

• 标准化方案： 使用标准化的方案进行样本收集、处理、储存和检索。
• 温度监控： 持续监控储存温度，以确保样本维持在所需范围内。
• 活性测定： 评估解冻后细胞的活性和功能活动。
• 污染测试： 定期测试样本是否存在微生物污染。
• 数据管理： 维护所有样本及相关数据的准确和完整记录。

示例： 生物样本库通常使用基于国际生物与环境样本库协会（ISBER）等组织最佳实践的标准化操作程序（SOPs），以确保样本质量的一致性。这些SOPs涵盖了生物样本库的各个方面，从样本收集和处理到储存和分发。

生物保存中的伦理考量

生物保存引发了若干伦理考量，包括：

• 知情同意： 在收集和储存捐赠者的生物样本前获得其知情同意。同意书应明确说明研究目的、潜在风险和益处，以及捐赠者撤回其样本的权利。
• 隐私与保密： 保护捐赠者个人信息的隐私和机密性。
• 数据安全： 确保与生物样本相关的数据的安全性。
• 所有权与访问权： 为生物样本和数据的所有权和访问权建立明确的指导方针。
• 商业化： 解决生物样本和数据商业化所带来的伦理问题。

示例： 许多国家已实施法规以保护生物样本库参与者的权利，并确保生物样本库研究的伦理行为。这些法规涉及知情同意、数据隐私以及样本和数据的访问等问题。

生物保存的未来趋势

生物保存领域在不断发展，正在进行的研究专注于改进现有技术和开发新方法。一些关键趋势包括：

• 自动化： 自动化生物保存过程以提高效率并减少可变性。
• 微流控技术： 使用微流控设备精确控制冷冻和解冻速率。
• 纳米技术： 开发纳米颗粒以递送冷冻保护剂并提高细胞存活率。
• 生物打印： 将生物保存与生物打印相结合，以创建功能性组织和器官。
• 人工智能与机器学习： 利用人工智能和机器学习优化生物保存方案并预测样本质量。

国际标准与指南

一些国际组织为生物保存提供标准和指南，以确保不同生物样本库和研究机构之间的一致性和质量。这些组织包括：

• 国际生物与环境样本库协会（ISBER）： 发布生物样本库和生物保存的最佳实践。
• 世界生物样本库网络（WBAN）： 一个促进合作和标准化的全球生物样本库网络。
• 美国国家标准与技术研究院（NIST）： 为生物保存制定标准和参考材料。
• ISO标准： 国际标准化组织（ISO）制定了与生物样本库和生物保存相关的标准，例如 ISO 20387:2018 生物技术 — 生物样本库 — 生物样本库通用要求。

生物保存面临的挑战

尽管取得了显著进展，生物保存仍然面临一些挑战：

• 冰晶形成： 冷冻和解冻过程中的冰晶形成会损伤细胞和组织。
• 冷冻保护剂的毒性： 高浓度的冷冻保护剂可能对细胞有毒。
• 有限的保质期： 即使在最佳储存条件下，一些生物保存材料的保质期也有限。
• 成本： 生物保存可能很昂贵，特别是对于大量样本的长期储存。
• 标准化： 不同生物样本库和研究机构之间缺乏标准化，可能难以比较结果。

结论

生物保存是一个关键领域，对生物医学研究、诊断和治疗具有深远影响。通过了解生物保存的原理、技术、应用和伦理考量，研究人员和临床医生可以有效地利用生物材料来推进科学知识和改善人类健康。随着技术的不断进步，生物保存技术将变得更加先进，能够以更高的保真度将生物材料保存更长时间。这将为医学及其他领域的新发现和创新铺平道路。

本指南提供了对生物保存的基础理解。对于具体的应用和详细的方案，强烈建议咨询专家并参考相关的科学文献。在生物保存领域的持续研发对于克服现有挑战和释放这一变革性领域的全部潜力至关重要。