采用真空冷凍干燥法保存微生物(如菌種、病毒等)或生物系統(tǒng)(如血液細(xì)胞、角膜等)是目前便捷的一種方法。由于凍干藥品呈多孔狀、可長期貯存、復(fù)水性好，且可恢復(fù)活性，因此冷凍干燥技術(shù)廣泛應(yīng)用于制備固體蛋白質(zhì)藥物、口服速溶藥物及藥物包埋劑脂質(zhì)體等。從國家食品藥品監(jiān)督管理局?jǐn)?shù)據(jù)庫得知，目前國內(nèi)已有注射用重組人粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子、注射用重組人干擾素α2b、凍干鼠表皮生長因子、外用凍干重組人表皮生長因子、注射用重組鏈激酶、注射用重組人白介素-2、注射用重組人生長激素、注射用A群鏈球菌、注射用重組人干擾素α2b、凍干人凝血因子VⅢ、凍干人纖維蛋白原等凍干藥品已獲準(zhǔn)上市。

目前認(rèn)為凍結(jié)過程對細(xì)胞的損傷機(jī)理主要是溶質(zhì)效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。當(dāng)細(xì)胞溶液的溫度降到其平衡凍結(jié)點(diǎn)以下一定的過冷度后，細(xì)胞外溶液首先結(jié)晶，純水的凍結(jié)使細(xì)胞間隙內(nèi)的液體逐漸濃縮，電解質(zhì)濃度顯著增強(qiáng)，溶液的pH、離子強(qiáng)度、滲透壓發(fā)生變化，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)變性以及細(xì)胞脫水死亡，即所謂的溶質(zhì)效應(yīng)。在預(yù)凍過程中，細(xì)胞內(nèi)的水分結(jié)冰，體積膨脹，細(xì)胞內(nèi)的冰晶生長對細(xì)胞膜及細(xì)胞器膜產(chǎn)生機(jī)械剪切破壞，稱為機(jī)械效應(yīng)。冷凍速率越快，胞內(nèi)冰晶形成的數(shù)量越多，機(jī)械損傷就越大。此外，凍結(jié)過程對細(xì)胞凍干效果也至關(guān)重要，如果不能提供有效的預(yù)凍條件，隨后的干燥過程也會加速細(xì)胞的損傷和死亡。生物制品的玻璃化保存是避免冰晶生長的主要措施，也是實(shí)現(xiàn)生物體低溫保存的主要途徑。如用海藻糖做保護(hù)劑實(shí)現(xiàn)了紅細(xì)胞的玻璃化保存，各項指標(biāo)均達(dá)到臨床輸注標(biāo)準(zhǔn)。

真空冷凍干燥過程對細(xì)胞損傷的兩大根源是細(xì)胞膜的融合與膜脂質(zhì)的相轉(zhuǎn)變。在正常生理條件下，細(xì)胞膜中的磷脂的極性基團(tuán)通過與水分子結(jié)合而在空間上相互隔開，但細(xì)胞膜失水后，極性基團(tuán)的聚合密度增大，膜上的蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)與脂類之間發(fā)生相互作用，以極性基團(tuán)間的氫鍵結(jié)合來補(bǔ)償丟失水分中的氫，導(dǎo)致胞膜融合、破損，內(nèi)容物外溢。這種強(qiáng)烈的相互作用還導(dǎo)致相轉(zhuǎn)變溫度升高，如卵磷脂在水合時的相轉(zhuǎn)變溫度約為-7℃，而在脫水時升高至約70℃。故干脂膜在室溫下處于凝膠相，很容易發(fā)生不可逆的相分離，此外，在復(fù)水過程中，處于凝膠相的脂膜會向液晶相轉(zhuǎn)變，造成膜通透性增加，使細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)自由雙向交換，導(dǎo)致細(xì)胞代謝紊亂。

所以應(yīng)尋找適當(dāng)?shù)膬龈杀Ｗo(hù)劑，一方面具有較高的玻璃化溫度，在凍結(jié)過程中能降低冰晶和溶質(zhì)的損失;另一方面又能在干燥過程中代替水分子穩(wěn)定細(xì)胞膜骨架，保持其完整性。

“優(yōu)先排阻”假說同樣適用于冷凍-融化過程。蛋白質(zhì)保護(hù)劑在溶液中被從蛋白質(zhì)表面排斥，在凍結(jié)過程中能夠穩(wěn)定蛋白質(zhì)。但是優(yōu)先作用機(jī)理不能解釋用聚合物或蛋白質(zhì)自身在高濃度時保護(hù)蛋白質(zhì)的現(xiàn)象。

在凍干過程中，由于蛋白質(zhì)的水合層被除去，優(yōu)先作用機(jī)理不再適用。對于凍干保護(hù)機(jī)理，仍在研究探討之中，目前主要有兩種:

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):自然界中存在的、能夠在低溫脫水狀態(tài)下存活的有機(jī)體細(xì)胞內(nèi)聚集大量的二糖，常見的為海藻糖和蔗糖，故提出“水替代”假說來解釋二糖的保護(hù)機(jī)理。

該假說認(rèn)為由于蛋白質(zhì)分子中存在大量氫鍵，結(jié)合水通過氫鍵與蛋白質(zhì)分子連接。在冷凍干燥過程中，當(dāng)生物大分子失去結(jié)合水膜后，雙糖分子中的羥基能在其失水部位以氫鍵形式與之連接，及時形成一層假定的水化膜，這樣可保護(hù)氫鍵的聯(lián)結(jié)位置不直接暴露在周圍環(huán)境中，在物理狀態(tài)上保持與結(jié)合水存在時相似，從而保持了生物分子的高級結(jié)構(gòu)和功能，防止蛋白質(zhì)因凍干而變性，使其即使在低溫冷凍和干燥失水的情況下，仍保持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的完整性。另外，二糖的存在還有助于降低脂質(zhì)的相轉(zhuǎn)變溫度T?。

如卵磷脂在蔗糖或海藻糖存在下，T?降低至-20°C，比水合的卵磷脂的T?低10°C，比無海藻糖干燥的卵磷脂的T?低90°C，這樣干膜脂質(zhì)在室溫下是液晶相，避免了相分離的發(fā)生，且在復(fù)水過程中也不會發(fā)生相轉(zhuǎn)變和脂質(zhì)雙分子層的泄露。

對于細(xì)胞的保護(hù)，氫鍵和玻璃化都是必需的，所以兩個假說并不互相排斥。舉個典型的例子具有較高T’g，葡萄糖能夠與膜基團(tuán)直接相互作用，單獨(dú)使用時均不能阻止干態(tài)下脂質(zhì)膜的泄漏，但兩者的組合使用能有效地保護(hù)脂質(zhì)膜。所以，在血液細(xì)胞的冷凍干燥保存中宜采用二糖和高聚物組合作為凍干保護(hù)劑。

 

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