細胞の凍結傷害に及ぼす凍害保護物質の効果に関する研究

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生体液に懸濁した細胞の凍結においては,細胞外の優先的な凍結にはじまる細胞の脱水・濃縮,核生成や植氷による細胞内の氷晶形成などが生じ,細胞の生死に関わる障害をもたらす.単一細胞に限らず一般に難しいとされている組織細胞まで含めた凍結保存には凍害保護物質の使用が有効であるが,それらの機序は必ずしも明らかではない.本研究では生体組織の凍結における凍害保護物質の役割について明らかとすることを目的とし、凍害保護物質の主に物理的な特性に着目し、その影響を組み込んだ凍結の速度論を展開した。生物材料の凍結における速度論的取り扱いを可能とするため、その特質を失わない程度に簡略したモデルを提案した。具体的には、モデルは細胞内外に相当する水溶液で満たされたセル群とし、凍結は、熱的平衡を保ちながら進行するものとした。ただし、細胞内については凍結初期において過冷却を呈し、不均質核生成によって凍結が開始するものとした。凍結保護物質としてはglycerolを用い、NaCl-glycerol-H20系の凍結曲線、浸透圧曲線を組み込んだシミュレーションを行い。以下の結果を得た。・凍結は、凝固点降下のためglycerolを加えない場合よりも早く進むが、共晶点の低下により完全に凍結するまでの時間は長い。・glycerolを加えることにより、細胞の脱水は抑制される。この効果は冷却速度が遅いほどより顕著に現れる。・glycerolを加えることによる粘性の上昇により、細胞内での核生成が抑制される。以上、凍結障害と関連づけてまとめると、glycerolを加えることにより細胞の脱水が抑制され、また、glycerolそのものの塩の緩衝作用により蛋白質の変性等の溶液効果と総称される一連の障害が軽減される事がわかる。一方、細胞内での核生成の抑制は細胞内の凍結といった生物にとって致命的な障害を回避する事となる。