细胞疗法有望彻底改变癌症和自身免疫性疾病的治疗方法。但是，这个数十亿美元的产业需要在超冷的低温条件下长期保存细胞，同时还要确保它们在解冻后仍能继续发挥作用。但是，这些寒冷的温度会触发冰的形成和生长，而冰会刺穿和撕裂细胞。犹他大学化学家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，该聚合物可防止冰的生长损害细胞。
大自然的防冻剂
当前冷冻保存细胞和器官的策略包括用大量的二甲基亚砜沐浴，这是一种有毒化学物质，会破坏冰的形成，但会给细胞造成压力，从而降低其存活的几率。
但是，自然界已经找到了一种使生物在极端寒冷的条件下存活的方法：抗冻蛋白。鱼，昆虫和其他冷血生物已经进化出有效的抗冻糖蛋白，该糖蛋白与冰晶结合并阻止其生长和破坏细胞。
抑冰分子的模拟。红色分子就像冰晶表面的重物一样，使其弯曲并阻止了冰晶的进一步生长。
基于细胞的疗法的发展领域要求开发有效的冰重结晶抑制剂，该抑制剂可与天然抗冻糖蛋白竞争活性，但不具有二甲基亚砜的成本和毒性。这种需求推动了模仿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重结晶抑制剂聚乙烯醇（PVA）的效力要比天然糖蛋白低几个数量级。
Molinero说：“寻找更强的冰生长抑制剂的努力似乎停滞了，因为目前尚无分子理解限制聚合物冰再结晶抑制效率的因素。”
隐藏的聚合物设计变量
分子如何防止冰晶变大？与冰紧密结合的分子会将其固定在表面上（就像枕头上的石头一样），使冰面在分子周围形成弯曲的表面。这种曲率使冰晶不稳定，从而停止了冰晶的生长。与冰结合的分子的停留时间比冰晶的生长时间长，因此可以阻止进一步的生长和重结晶。
Molinero和Naullage使用大规模分子模拟来阐明分子的基础，即聚合物的柔韧性，长度和功能化如何控制其与冰的结合以及防止冰生长的效率。他们的研究表明，分子在冰表面的结合时间受其冰结合强度，聚合物长度以及在冰表面上传播的速度控制。
“我们发现，柔性聚合物阻止冰生长的效率受到其与冰的缓慢传播的限制，” Molinero说。
这项研究剖析了各种因素，这些因素控制了柔性聚合物与冰的结合，并解释了PVA和天然抗冻糖蛋白效能的差距。简而言之，与PVA相比，每个抗冻糖蛋白块与冰的结合都更牢固，并且还因其二级分子结构而将结合和非结合块分开，从而使它们更快地附着在冰上，从而阻止了冰的生长。
“据我们所知，这项工作首先是将结合的传播时间确定为有效的冰结合柔性聚合物设计中的关键变量，” Naullage说。“我们的研究为柔性聚合物从头设计奠定了基础，该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：Pavithra M. Naullage和Valeria Molinero的“冰结合的缓慢传播限制了PVA和其他柔性聚合物的冰再结晶抑制效率”，2020年2月13日，美国化学学会杂志。DOI：
10.1021 / jacs.9b12943
