《中国科学报》2019年12月23日

中国科学报讯（记者 张思玮）从细胞治疗出现的那一刻开始，业内专家对其的争论就未停止过。到底是按照医疗技术管理还是归于药品进行审批，目前仍未有定论。不过，尽管“命运”跌宕起伏，细胞治疗产业却始终热情不减。特别是最近以CAR-T和干细胞为代表的细胞治疗技术在临床上获批应用，更是拨动了产业界的心弦。

根据全球市场情报机构Fiormarkets发布的报告显示，2017年全球细胞治疗技术市场约为112亿美元。2018年至2025年的复合年增长率为16.81%，预计到2025年市场值将超过340亿美元。

“细胞治疗肯定具有非常令人鼓舞的应用前景。”军事医学研究院国家北京药物安全评价研究中心主任王全军表示，细胞治疗在抗肿瘤、糖尿病、关节修复等方面都具有极大的医疗应用价值。

而细胞保存技术作为细胞治疗的必要支撑手段，一直备受业内关注。

利好的消息是，前不久，天津大学化工学院教授张雷团队成功研发了新型细胞超低温保存术，首次实现低成本无毒副作用超低温保存人类软骨细胞，有望为细胞治疗领域注入新机。相关研究日前发表于《生物大分子》。

超低温保存技术存在瓶颈

所谓的细胞治疗是指将细胞在体外培养后移植到患者体内，以修复或替换人体受损的组织或细胞，从而达到治愈目的。将细胞超低温冷冻保存用于未来“唤醒”与治疗，也被称为人类医学发展史上最具想象力的“后悔药”。其原理为：在-80℃或-196℃下使细胞新陈代谢完全停止而处于“假死”或“休眠”的状态，从而实现长期保存细胞的活性和功能。

目前，超低温保存技术广泛应用于临床治疗，如干细胞治疗、免疫细胞治疗等都需要维持细胞的功能和活性。比如，新生儿脐带干细胞的保存，将新生儿的脐带干细胞长期存储于-196℃的液氮内，为孩子保留“治疗种子”。

“但是，相关技术却存在严重瓶颈。比如在降温过程中产生冰晶会给细胞造成致命的冷冻损伤。”张雷告诉《中国科学报》，为使细胞在低温冷冻时不受伤害，目前最主流的方法是添加有机保护溶剂——二甲基亚砜（DMSO）。

然而，这类保护剂本身具有毒性，细胞冷冻复苏后必须经过复杂的“洗毒”程序才能培养扩增或注入病人体内。而“洗毒”后复苏的细胞仍会引发病人诸多副作用，如恶心、呕吐、肺水肿、支气管痉挛、肾功能衰竭和心脏骤停等。

即便如此，我国临床应用一直依赖国外进口，此类冻存保护液产品价格十分昂贵。

抗冻植物和三文鱼带来的灵感

基于此，张雷自2013年回国之后，就一直从事细胞保存领域的研究，并与国外资深低温领域专家交流，发现超低温冻存技术领域内几十年来都基于DMSO作为冻存保护剂，没有较为革新性的突破，这对后期细胞治疗的效果会有非常不利的影响。

瞄准这一临床与科研需求，该研究团队开始反复研讨、阅读大量文献。不过，任何创新都意味着要面临很大风险。

“基于两性离子分子保护剂的冻存技术，其整套流程从降温程序到洗脱过程，都需探索革新，不能走老路，因此整个过程耗时较长，投入的费用也比较高。”作为团队成员，天津大学化工学院青年教师杨静表示。

在研究过程中，他们的创新灵感来源于抗冻植物和三文鱼。研究人员发现，许多抗冻植物，比如冬大麦、冬小麦，可以抵抗严寒的原因是植物体内含有两性离子甜菜碱。而三文鱼可以逆流而上，抵抗环境渗透压变化造成的损伤，也是因为体内含有可以调节渗透压、快速进出细胞的甜菜碱。

不过，利用两性离子甜菜碱冷冻保存细胞，是一个全新的概念，在整个研究探索过程中可谓困难重重。杨静告诉记者，困难之一就是新的保护剂要结合合适的冻存程序。“由于新保护剂与传统的DMSO保护机理截然不同，几乎没有可借鉴的程序手段，我们只能摸着石头过河，一步步探索，从无数次失败的实验经历、无数次教训中总结经验。”历经3年，该研究团队才发表了相关成果的第一篇文章。

第二个困难是，因为研究时间跨度长，一直有质疑的声音。“在质疑声中，我们团队一直秉持乐观向上的态度，遇事不慌，遇挫不馁，最终取得了研究成果。”

计划与临床开展合作

基于此项发现，他们选取天然两性离子甜菜碱作为细胞内冻存保护剂，同时设计合成了与甜菜碱结构相似的无毒两性离子聚合物作为细胞外冻存保护剂，成功实现了人体软骨细胞的超低温保存，细胞复苏成活率可达90%以上，从而创造了新型超低温细胞保存技术。

张雷告诉记者，细胞的冷冻保护核心是提供胞内保护，因为胞内有维持细胞活性较为关键的细胞核、线粒体、酶蛋白等成分。针对这一关键科学问题，该团队受到冬大麦和三文鱼的启发，对两性离子甜菜碱对冰晶形成生长的影响以及进出细胞的性质进行了大量系统的研究。结果发现，甜菜碱不仅可以进入细胞内，保护细胞渗透压损伤，还可以降低冰点、抑制冰晶的形成和生长。

“鉴于此，我们利用两性离子聚合物材料，为细胞构建出一种温和的高渗透压环境，这样细胞在高渗环境下就会通过蛋白孔道摄入甜菜碱这种天然渗透压调节剂，从而起到完美的胞内冷冻保护作用。”张雷说。

实验结果显示，这种新技术对软骨细胞活性与功能都无明显损伤，可高效冷冻保存软骨细胞，并有望实现细胞复苏后直接用于临床治疗，无需保护剂洗脱的复杂程序。目前，该项成果已经成功获批国家专利并申请国际PCT专利。

“我们正在针对其他种类人体细胞进行实验，尤其是治疗意义重大的干细胞、免疫细胞，也计划与医院等单位进行临床研究合作。”杨静表示，用这一新技术研发的细胞超低温保护剂不仅对细胞完全无毒无害，也可望替代进口产品，大幅度降低科学研究和临床成本，为需要细胞治疗的患者带来福音。

中国科学报：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/12/352236.shtm?id=352236

（编辑 焦德芳 孟文璐）