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人类精子冷冻的基本原理详解(男科学 人类精子冷冻)

导语:人类精子冷冻的基本原理详解属于男科学下的人类精子冷冻分支内容。本篇围绕男科学 人类精子冷冻的基本原理详解主题,主要讲述精子冷冻等方面医学知识。

人类精子作为一种特殊的组织细胞,具有细胞冷冻的全部特点,与冷冻其他组织细胞一样,在一定的低温条件下,让细胞降温、凝固、非损伤性结冰,促使细胞代谢降低,处于休眠状态,从而达到贮存细胞的目的。

细胞生活在细胞外液之中,并通过膜进行内、外物质的交换,水分可以自由通过细胞膜,水分的运动方向,主要取决于细胞内、外液中溶质的浓度差,即溶液渗透压的高低。在细胞冷冻过程中,随着温度的不断下降,细胞会发生一系列的物理化学变化。细胞外液中作为各种电解质溶剂的水分首先因为温度的降低,形成细小的颗粒状冰晶,导致细胞外液中水分减少,电解质浓度增加,细胞外液渗透压升高,细胞内外渗透压失去平衡,水分由细胞内向细胞外渗透,于是细胞由于自身脱水而发生皱缩。冷冻过程中细胞外液中形成的冰晶是热交换的不良导体,具有一定程度的隔热作用,所以外界温度的降低对细胞内液的影响不明显。随着外界温度的持续降低,加上细胞因为脱水,水分减少,这些综合因素作用的结果,使细胞不产生或仅产生少量的冰晶。利用冷冻过程中产生的渗透压差使细胞脱水,产生皱缩,使细胞器或细胞膜不损伤或仅发生轻微损伤,这就是细胞冷冻的基本原理。

细胞冷冻过程中,冰晶主要在细胞外形成还是细胞内、外同时形成,主要取决于冷冻降温速度。快速冷冻过程中,细胞内形成的冰晶将引起细胞超微结构的机械性损伤,造成细胞死亡,这一现象称为快速冷冻损伤,又称冰晶损伤。反之,在慢速冷冻过程中,细胞外液中由于冰晶的大量形成,渗透压升高,细胞内水分由于渗透压差快速向外渗透,细胞就有可能由于过分暴露于高浓度的溶质环境中,引起细胞严重脱水而死亡,这种现象称为慢速冷冻损伤,又称溶质损伤。正是基于细胞冷冻损伤的形成机制,在细胞冷冻贮存过程中,需选择一种不引起快速冷冻损伤,并可获得细胞最大冷冻复苏率的降温程序,依据细胞冷冻过程中不同的降温阶段,采用不同的降温速率。但实际上,要发现这种理想的降温程序是极困难的,因为在引起细胞损伤的降温速度之间并无明显界限。因此,仅靠不同的降温阶段,采用不同的降温速度尚不足以达到理想的冷冻效果。在细胞冷冻时,加入一些物质,以保护细胞不受损害或少受损害,以达到最佳冷冻保护效果,这类物质我们称为冷冻保护剂。借助冷冻保护剂的保护作用以及合理的冷冻速率,才有可能获得理想的冷冻效果。不同组织的细胞具有不同的冷冻易感性,由于精子较其他细胞小,仅有很少的细胞质,且胞质中水分含量较其他细胞少,相比其他细胞,精子在冷冻过程中,能发生足够的脱水和皱缩,低温条件下,不会形成过多的细胞内冰晶,因此,精子适宜冷冻保存。

从本质上讲,细胞的冷冻过程实际是一个脱水的过程,当温度降低到冰点时,细胞外液首先凝固,化学势能降低,细胞内水分通过细胞膜渗到细胞外,在细胞外结晶,而此时,细胞内液不会凝结。随着温度的持续降低,细胞内也开始形成冰晶,细胞极易在此阶段死亡,因此,此阶段应快速通过。当温度降至-196℃时,细胞处于休眠状态,可在液氮中长期贮存。

细胞在冷冻过程中,冷冻损伤的发生是不可避免的,但有关损伤的机制,仍存许多争议。多数学者认为,引起细胞冷冻损伤的主要因素为渗透压的改变和细胞内冰晶的形成,因此,冷冻保护剂和降温速度的选择,对减少冷冻损伤至关重要。冷冻保护剂中的渗透性保护剂可以渗入细胞内,与水分子结合,降低细胞内溶液的凝固点。非渗透性保护剂能稳定细胞膜的结构,当细胞外液结晶大致完成时,细胞内液还处于超临界状态,冰晶尚未形成。另外,渗透性冷冻保护剂还能降低细胞内未凝固部分溶液的盐浓度,有效防止细胞因渗透压的改变而破裂。降温速度决定了细胞内冰晶形成的速率和大小,冷冻过程中降温速度适宜,渗透性保护剂可充分渗入细胞内,细胞内水分向外渗透时间充足,引起细胞脱水皱缩,冰晶主要形成于细胞外,细胞内无冰晶或仅有微小冰晶形成。如降温速度过快,细胞来不及充分脱水,产生超冷效应(supercooling effect),在冰点下,细胞内液中暂无冰晶形成,但随着温度的持续降低,则会在细胞内大量形成冰晶,造成细胞器和细胞膜结构损伤,引起细胞死亡。此外,复温速率的选择也会对细胞的存活率造成影响,如复温过慢,在再结(冰)晶温度阶段,细胞内已形成的冰晶会增大,造成细胞二次损伤;如复温过快,因细胞外液冰晶融化,细胞外渗透压降低,水分大量内流,造成细胞肿胀甚至破裂。