仿生控冰冷冻保存材料

Group Leader:王健君

Position

◆松山湖材料实验室仿生控冰冷冻保存材料团队负责人
◆中国科学院化学研究所研究员、教授、博士生导师

Research Direction

控冰理论与控冰材料的研究与应用

Main Achievemnets

在Nature、Nat. Mater.、Nat. Commun.、PNAS、JACS、Adv. Mater.、Angew. Chem.等期刊发表学术论文百余篇,申请PCT发明专利9项,中国发明专利40余项。主持自然科学基金委面上项目、重点项目、杰出青年项目等

王健君(负责人)、吕健勇、金晟琳、赵立山、谢铄钿、莫祖健,刘红

项目介绍:

冷冻保存材料是冷冻保存技术的核心物质基础。现有技术采用的玻璃化冻存剂不具备复温过程中控制冰晶生长的能力,且含有高浓度的二甲基亚砜(DMSO)而具有细胞毒性与表观遗传毒性。

团队关注到自然界酷寒地区生命体的存活依赖于其体内的抗冻蛋白。抗冻蛋白能够控制冰晶的形成和演变,使这些生命体免受冰冻伤害,这就为我们在冷冻保存材料的研发中摒弃DMSO提供了思路。团队基于对抗冻蛋白控冰作用机制的深刻理解,成功研发了DMSO零含量的仿生控冰冻存剂,以非渗透性生物兼容控冰分子为核心,有效避免了细胞因冰晶不可控生长和渗透压不可控突变造成的机械损伤,能够显著提高细胞冻存复苏后的存活率和存活质量。

预期市场:

(1)辅助生殖治疗领域卵母细胞冻存剂

(2)干细胞治疗领域多种干细胞冻存剂

(3)兽药领域细胞型动物疫苗冻存剂

(4)畜牧育种领域配子细胞冻存剂

研究方向:

项目团队面向细胞等生物材料的冷冻保存应用,从基础研究出发,开展仿生控冰冷冻保存材料的设计、制备与应用。具体研究方向如下:

(1)生命体抗冻控冰机制研究

将抗冻蛋白定向固定,选择性研究了抗冻蛋白冰结合面与非冰结合面对冰核形成的影响。研究结果表明抗冻蛋白的不同面对冰核的形成呈现出完全相反的效应:冰结合面促进冰晶成核,而非冰结合面抑制冰晶成核。从分子层面揭示了抗冻蛋白对冰成核的“Janus”效应机制,极大深化了对抗冻蛋白抗冻控冰机制的理解,为仿生控冰冻存的研发提供了科学依据。

(2)冰成核理论研究

通过设计制备窄分布纳米氧化石墨烯,利用纳米颗粒边界效应,首次从实验探测到了临界冰核的存在,建立了临界冰核与过冷度的相互关系,证实了百年前Gibbs等人提出的经典成核理论预测,并验证了经典成核理论的普适性。

(3)仿生控冰分子与控冰冻存材料研究

基于分子设计与可控合成制备了系列模型控冰分子,从分子层面揭示了高活性控冰材料的作用机制,即:对冰和水都具有良好的亲和性,以使其在冰水界面充分铺展,进而使每个分子均能有效抑制冰晶生长,基于该理论成功研发了无DMSO的仿生控冰冻存材料。

(4)冷冻保存材料应用研究

与国内权威医疗机构合作进行了卵母细胞的冷冻保存应用探讨,实现卵母细胞冻存复苏后存活率高达95%,且存活质量显著提高,为推动仿生控冰冻存材料的产业化和临床应用奠定了坚实基础。

合作单位:

北京大学第三医院

301医院

广东医科大学

华南农业大学

澳斯康生物制药(海门)有限公司