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生命科学行业深低温存储的痛点与价值

发布时间:2020-11-14人气:58

目前,细胞低温保存还存在一些问题,如运输不便,临时储存不便,运输过程中细胞活性下降快,细胞容易积聚成团等。长时间运输后细胞的活率很低,细胞大量死亡,直接影响临床效果。临床应用的细胞产品不能含有异种动物蛋白。

【当前低温保存细胞技术主要面临几大挑战】

1)维持合适的渗透压环境及环境酸碱平衡;

2)降低及满足细胞能量代谢;

3)降低氧化损伤,清除过氧化物及代谢产物堆积;

4)降低细胞凋亡及损伤,减少细胞黏连;

5)细胞复温处理过程中的氧化损伤导致细胞延迟性死亡。

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干细胞的安全存储设备通过采集个人的干细胞样本,并使用特殊的冷冻和保存技术将其冷冻保存在液氮温度下。这种极低的温度可以有效地防止干细胞的降解和死亡,同时保持其自我更新和分化的能力。存储设备还配备了严密的安全系统,确保干细胞样本的完整性和保密性。

细胞安全存储设备有哪些?

对于组织样本或细胞的冻存,周期较长时需储存于液氮罐。慢速冷冻可以通过程序降温盒、超低温冰箱、程序降温仪等工具实现。对于病毒和蛋白、核酸等生物大分子,通常只需要保存于-20°C至-80°C,因此根据储存体量,常用超低温冰箱、冷库等进行储存。在许多操作中,超低温储存设备也被直接用于冷冻降温过程,该过程被称作被动冷冻。与之相对应的,采用冷冻程序可控的速冻箱或冻融系统的冷冻过程被称作主动冷冻。

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液氮罐冻存

液氮罐是用于细胞存储的主要设备,主要有液相和气相两种,存储温度设定在-150℃至-196℃之间,可以保证细胞的质量。气相液氮罐相较于液相液氮罐,具有防止样本间的交叉污染、降低样本爆管的风险、损耗低等优势,当前大多数存储机构都选择气相液氮罐存储。

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▲液氮罐冻存

传统液氮罐的存取过程需手动进行,存在样品管直接暴露在环境温度下的情况。样本暴露时间、暴露期的温度变化曲线无法监控和追溯;在取出选定样品管时往往连带其他样本暴露在环境温度下,长期的反复存取过程使其他样本的存储条件发生偏差。反复暴露于环境温度(反复复温至-60℃甚至更高)会使细胞内部形成冰晶、导致破裂死亡,真正能用于实验的优质样本量显著减少。

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气相液氮罐存储的优势

01

储存容量大,存取方便

科研和医疗往往需要对多样本进行储存,普通的液相储存罐无法满足此类需求。气相液氮储存罐可对里面的冻存架分区储存,标记旋转拿取,即使储存样本多,存取、查找样本也非常方便快捷。

02

智能监控管理,保障样本安全

气相液氮罐有智能监控系统,多种功能,监控液位,保障罐内低温环境,并对异常事件进行记录,确保样本的安全存储。

03

气相低温,避免样本交叉感染

普通的液相液氮罐储存,样本是浸泡在液氮里的,难免有密封不严的样本外漏,污染液氮,导致其他样本的感染。而气相液氮储存罐则利用液氮气化的低温,将温度维持在深低温状态,避免样本和液氮直接接触,预防交叉感染的风险。

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冻存全流程方案

程序降温盒冻存



生物样本库的建立和细胞药物的兴起对生物样本的低温保存质量提出了更高的要求。研究表明,在低温冻存过程中,造成细胞损伤的两种最主要因素是:溶液损伤和胞内冰损伤。在程序降温过程中随着温度降低,细胞内部的代谢速率随之降低。若降温速率过慢,细胞则失水过多,受到溶液损伤;若降温速率过快,细胞内的水分则来不及渗出而形成胞内冰晶,破坏细胞结构。

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因此,做好细胞/生物样本的程序降温,是保证细胞低温冻存质量的关键因素。在以往的程序降温工作中,多采用传统程序降温盒,或者手工的程序降温仪,尚面对多个挑战:

  • 耗时长,普通程序降温盒耗时需8h以上;

  • 效率低,单次程序降温的样本量少,无法大批量作业;

  • 非标化,需人工值守,操作标准不一,存在误差等;

  • 细胞复苏活率低,降温的速率或者精度欠佳导致。

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▲程序降温盒冻存

超低温冰箱冻存


超低温冰箱常常又称为超低温冰柜、超低温保存箱等。在实验室中多用于存储需要超低温储存的样品试剂,已经在越来越多的实验室中成为常备设备。超低温冰箱的温度范围大致从-60℃到-150℃度,应用范围比较广泛,如在生物研究、医院、防疫系统和军工等方面均有应用。

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▲超低温冰箱冻存


超低温冰箱可用于保存动物组织、血液、RNA等实验所需标本,以及药物、疫苗、酶、激素、干细胞、血小板、精液、移植的皮肤以及从人体抽取的标本、植物种子的种质库、基因克隆库和一些重要的生物和化学试剂等以及工业研发。在分子克隆实验中,-70℃超低温冰箱被广泛用于储存感受态大肠杆菌、感受态细胞和入噬菌体原种。

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降温程序仪冻存



慢速冻存对细胞活力的恢复是非常重要的。对于人体细胞而言,每分钟降低-1到-3℃能让细胞更好适应冻存状态。目前储存细胞时要使用程序降温仪,严格按照预设程序冷冻后达到目标温度,低至一定的温度后才可以转入-196℃深低温液氮中进行长期冻存。这种程序性降温,使细胞的活性得到最大程度的保护,以免其出现我们常说的“冻死”。程序降温仪技术优势和功能会直接影响生物样品的细胞存活和复活。


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程序降温仪又分为液氮制冷和无液氮两类,液氮制冷程序降温仪需要持续供给液氮并通过控制液氮供应速率来控制冷冻速率,无液氮降温仪则通过压缩机制冷从而免除了对液氮的依赖,但制冷温度限于-100°C,因此需要转移至液氮罐完成第二段冷冻。复苏则常用38°C水浴、金属浴、程序复苏设备等。

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低温存储自动化趋势方兴未艾

针对以上痛点,智能化、高效化、安全化的深低温存储设备应运而生。这些设备采用了先进的自动化技术,实现了样本的自动存取、自动追踪和自动监控。这大大降低了人为操作的失误,提高了样本存储的安全性和实验的准确性。

此外,新型的深低温存储设备还采用了先进的制冷技术,有效降低了复温过程中冰晶的形成,从而延长了细胞的存活时间。这不仅增加了可用于实验的优质样本量,也提高了实验的可靠性。同时,新型设备还具备多重安全防护措施,如泄漏检测、过温保护等,确保样本的安全存储。这为科研人员提供了极大的便利,使他们能够专注于实验本身,而不是被存储设备的繁琐操作所困扰。

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因此,样本自动化存储管理已经成为生物医疗存储领域的重要发展趋势。随着精准医疗的不断推进,临床诊断和新药研发等多个应用场景对生物样本的规模提出更高的要求。通过自动化管理,可以大大减少单人工作强度,提高单人可管理的样本规模,推动大规模样本库建设提速;自动化可以减少人为开关操作,提高样本存储低温环境的稳定性,保证样本存储质量。


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