新的聚合物保护低温保存的细胞免受冰晶的破坏

时间:2020-03-05 18:45 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

新的聚合物保护低温保存的细胞免受冰晶的破坏

细胞疗法为癌症和自身免疫性疾病的治疗带来了革命性的希望。但这个价值数十亿美元的产业需要在超冷低温条件下长期储存电池,同时还要确保它们在解冻后继续发挥作用。然而,这些低温会引发冰的形成和生长,冰可以穿透并撕裂细胞。犹他大学的化学家Pavithra Naullage和Valeria Molinero在《美国化学学会杂志》上发表的研究为设计有效的聚合物提供了基础,这种聚合物可以防止破坏细胞的冰的生长。

Nature’ s防冻剂

目前低温贮藏细胞和器官的策略包括用大量的二甲亚砜浸泡它们,这种有毒化学物质会破坏冰的形成,但会对细胞造成压力,降低细胞存活的几率。

然而,大自然已经找到了一种在极端寒冷条件下维持生物体生存的方法:抗冻蛋白。鱼、昆虫和其他冷血生物已经进化出了能与冰晶结合并阻止其生长和破坏细胞的高效抗冻糖蛋白。

新的聚合物保护低温保存的细胞免受冰晶的破坏

基于细胞的治疗领域的不断发展要求开发有效的冰再结晶抑制剂,它可以与天然的抗冻糖蛋白竞争活性,但不具有二甲基亚砜的成本和毒性。这种需求推动了模拟抗冻糖蛋白作用的聚合物的合成。但是迄今为止发现的最有效的合成冰再结晶抑制剂,聚乙烯醇(PVA),其强度比天然糖蛋白低几个数量级。

寻找更强的冰生长抑制剂的努力似乎已经停止,因为目前还没有对限制聚合物冰再结晶抑制效率的因素的分子理解。Molinero说。

一个隐藏的聚合物设计变量

分子是如何阻止冰晶变大的?分子与冰的表面紧密结合在一起;就像枕头上的石头;使冰原在分子周围形成一个曲面。这种弯曲破坏了冰晶的稳定性,阻碍了它的生长。分子与冰结合的时间比生成冰晶的时间长一倍,这就成功地阻止了进一步的生长和再结晶。

Molinero和Naullage利用大规模的分子模拟,阐明了聚合物的柔韧性、长度和功能化如何控制其与冰的结合,以及如何有效阻止冰的生长等分子基础。他们的研究表明,分子在冰面上的结合时间是由它们的结合强度、聚合物的长度以及它们在冰面上的传播速度所控制的。

我们发现,柔性聚合物在阻止冰的生长方面的效率受到其与冰结合的缓慢扩展的限制。Molinero说。

本研究分析了控制柔性聚合物与冰结合的各种因素,并对PVA与天然抗冻糖蛋白的效价差异进行了解释。简而言之,每一块抗冻糖蛋白都比PVA更强地与冰结合,而且它们的二级分子结构也有利于分离结合块和非结合块,使它们能更快地与冰结合,从而阻止冰的生长。

据我们所知,这项工作首先将结合的传播时间确定为设计高效冰结合柔性聚合物的一个关键变量。Naullage说。我们的研究为柔性聚合物的重新设计奠定了基础,这种柔性聚合物可以达到甚至超过抗冻糖蛋白的效率,并在生物医学研究中产生影响。

参考文献:冰结合的缓慢传播限制了聚乙烯醇和其他柔性聚合物的再结晶抑制效率;Pavithra M. Naullage和Valeria Molinero, 2020年2月13日,美国化学学会期刊。

DOI: 10.1021 / jacs.9b12943

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