综述：自然启发的多学科策略在组织与器官冷冻保存中的应用

　　本综述系统探讨了冷冻保存领域面临的冰损伤与生物应激挑战，并创新性地从自然抗冻机制（如深共熔溶剂（DESs）、冰结合蛋白（IBPs）吸附抑制、共聚物/水凝胶组装体）中汲取灵感，提出多策略联合的“鸡尾酒式”冷冻保护方案（涵盖血管靶向纳米颗粒、基质稳定聚合物、细胞特异性冰调控剂及代谢调节剂），为器官库建设和再生医学提供突破性方向。

　　

Abstract

器官与组织的冷冻保存（Cryopreservation）是生物医学领域融合细胞生物学、组织工程和器官移植的重要突破。然而，该技术仍面临冰晶损伤和生物应激响应两大核心挑战。自然界中多种生物在极端低温环境下的生存策略为此提供了丰富灵感，包括复杂的冷信号感知与代谢重构（Metabolic Reconfiguration），以及物理层面的冰控机制——例如深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）的抗冻保护、冰结合蛋白（Ice-Binding Proteins, IBPs）通过吸附抑制抑制冰晶生长，以及通过共聚物、水凝胶等大分子组装体实现分子拥挤效应。

生物抗冻机制的启示

许多耐寒生物通过进化出特异性应激通路应对低温：细胞膜感知冷信号后触发代谢重塑，减少冰核形成并稳定蛋白质结构。这类机制启发了新型仿生冷冻保护剂的设计，例如模拟极地鱼类IBPs功能的人工冰控分子，以及借鉴植物抗冻机制的DESs溶液。这些生物材料可有效抑制再结晶过程，降低溶液凝固点，从而减轻细胞机械损伤。

人工冰控材料与纳米技术

近期研究致力于开发仿生冰调控材料，包括合成聚合物模拟IBPs的吸附抑制功能，以及利用纳米颗粒（如氧化铁纳米粒）实现快速均匀复温（Nanowarming），避免传统复温过程中的热应力损伤。纳米颗粒可通过靶向血管释放，在器官内部实现精准热传导，大幅提升大体积样本的存活率。

多维度保护策略整合

理想的冷冻保护体系需融合多重生物学与工程学策略：血管内靶向纳米颗粒控制冰晶形成；细胞外基质（ECM）稳定聚合物（如聚乙二醇衍生物）维持组织结构完整性；细胞特异性保护剂（如线粒体代谢调节剂）减少氧化应激；此外，通过代谢重编程（Metabolic Reconfiguration）调控能量代谢途径可增强细胞耐寒性。

临床转化挑战与展望

尽管实验室成果显著，临床转化仍面临障碍：复杂器官的异质性导致保护剂渗透不均，大规模样本复温的工程学瓶颈，以及生物安全性问题。未来需通过多学科协作优化“鸡尾酒式”保护剂配方，建立标准化器官低温保存流程，最终推动全球器官库建设与再生医学应用。

Conflict of Interest

作者声明无利益冲突。