我們知道物質(zhì)有四個(gè)普遍的階段或狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)。人類(lèi)通常生活在前三種狀態(tài)中，很少處于等離子態(tài)環(huán)境，除非有閃電或核彈爆炸。受不同因素作用，這幾種狀態(tài)可相互轉(zhuǎn)換，主要因素是溫度，也有壓力，化學(xué)或結(jié)構(gòu)組成等。

哺乳動(dòng)物生殖生物學(xué)中的低溫保存研究的主要是以水成分的結(jié)構(gòu)，目的是使溫度降至-150℃或以下的水平，使生物活性（包括操作損傷）減少為零。這種降溫過(guò)程可能需要從液體到固體的相變，通常是通過(guò)水的結(jié)構(gòu)重排實(shí)現(xiàn)的，即冷凍，如冰晶形成。但是，冰晶對(duì)生物結(jié)構(gòu)是有害的，會(huì)使細(xì)胞膜破裂，破壞精細(xì)的細(xì)胞器，甚至使細(xì)胞或生物體死亡。盡管有些動(dòng)植物經(jīng)過(guò)進(jìn)化后通過(guò)形成抗凍蛋白的保護(hù)機(jī)制避免冰晶產(chǎn)生，但這種保護(hù)機(jī)制的效率是非常有限的，不能用于超低溫生物學(xué)。

幸運(yùn)的是，有另一種方法可以在低溫下固化水和相關(guān)的生物結(jié)構(gòu)，這種過(guò)程被稱(chēng)為玻璃化。這個(gè)名字源于玻璃的拉丁語(yǔ)“vitreum”，事實(shí)上，它與二氧化硅玻璃生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的現(xiàn)象是一樣的，只是玻璃的結(jié)晶形態(tài)是普通的沙子。所以在常見(jiàn)的玻璃制品，如玻璃瓶、玻璃窗和杯子，全都是玻璃化的結(jié)果。其他一些常見(jiàn)的例子如：棉花糖（玻璃化后的糖）和冰糖的對(duì)比；普通的織物在熨燙后也會(huì)有一些纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變；瓷器也是通過(guò)將陶土的溫度加熱至超過(guò)1200℃，再冷卻后形成玻璃化的結(jié)果。

一般來(lái)說(shuō)，玻璃化轉(zhuǎn)變需要不同材料之間存在顯著差異的特殊條件。一些科學(xué)家們?nèi)匀徊煌耆斫鉃槭裁磿?huì)發(fā)生這種情況，但他們中的大多數(shù)人都認(rèn)為這并不是真正的階段/狀態(tài)轉(zhuǎn)換。最好的解釋是這是溶液粘度的極端增加。想象一下，一種液體的所有分子都停止運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有任何重組，都保持在原來(lái)的位置。因此，玻璃化的水不是凍結(jié)的水，也不能被融化。在胚胎學(xué)中的玻璃化，正確的術(shù)語(yǔ)應(yīng)該是降溫（cooling）和升溫（warming），對(duì)玻璃化胚胎而言，我們進(jìn)行的是低溫保存胚胎移植(cryopreserved embryo transfer)而不是冷凍胚胎移植 (frozen embryo transfer), (Shaw and Jones, 2002)，而如今這些合理的規(guī)則也逐漸被專(zhuān)業(yè)人士遺忘了。

要在水中誘導(dǎo)玻璃化并在整個(gè)低溫保存過(guò)程（包括升溫）中保持玻璃化，需要極端條件，這其中就包括非常高的降溫和升溫速率。對(duì)于為什么需要較高的降溫和升溫速率的一個(gè)常見(jiàn)解釋是：不允許有時(shí)間結(jié)冰。我不確定這個(gè)看似合理的解釋是否完全正確，但對(duì)于一個(gè)生殖學(xué)家來(lái)說(shuō)，“怎么做”比“為什么”更重要。在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中，我們能使用相對(duì)簡(jiǎn)單的方法達(dá)到15000至20000℃/分鐘的降溫和升溫速率。然而這還不足以使純水玻璃化，我們需要更多的技巧。需要指出的是，一些胚胎學(xué)家和公司認(rèn)為，升溫速率比降溫速率重要。但他們對(duì)此理論的證據(jù)相當(dāng)薄弱，因此多數(shù)實(shí)驗(yàn)并不支持這種觀(guān)點(diǎn)。我更傾向于兩者都很重要。

我們需要添加冷凍保護(hù)劑。這些化學(xué)物質(zhì)或有機(jī)添加劑以?xún)煞N不同的方式防止結(jié)冰。1：通過(guò)滲透作用，將水從細(xì)胞中排出，使有機(jī)分子濃度增加以阻礙冰的形成。2：通過(guò)進(jìn)入細(xì)胞和/或連接到外膜及保護(hù)結(jié)構(gòu)免受低溫?fù)p傷。我不得不又再次承認(rèn)，這些機(jī)制并沒(méi)有被很好地理解，但它們是有效的。

我們需要減少降溫時(shí)的液量。在降溫時(shí)，過(guò)多的液體量會(huì)促使冰晶的形成。幸運(yùn)的是，微體積也很實(shí)用，可以達(dá)到很高的降溫和升溫速率，不過(guò)這可以說(shuō)是純粹的運(yùn)氣！但好運(yùn)不會(huì)就此止步，通過(guò)安排適當(dāng)?shù)牟ＡЩ瘲l件，我們可以避免傳統(tǒng)慢速冷凍中常見(jiàn)的另外兩個(gè)問(wèn)題：破裂損傷和冷卻損傷（這將在以后章節(jié)討論）。

為了滿(mǎn)足上面列出的所有要求，我們必須建立一種高度標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)，在確保過(guò)程高效、無(wú)害的同時(shí)又易于學(xué)習(xí)和重復(fù)，并能夠獲得穩(wěn)定和適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。

這些是我們——輔助生殖技術(shù)中的胚胎學(xué)家的職責(zé)。

為什么喜歡玻璃化冷凍技術(shù)？

30年前，當(dāng)我開(kāi)始在胚胎學(xué)領(lǐng)域工作時(shí)，玻璃化是一項(xiàng)新穎的技術(shù)。不知道是不幸還是幸運(yùn)，我們實(shí)驗(yàn)室的牛體外受精而來(lái)的囊胚在當(dāng)時(shí)通過(guò)傳統(tǒng)慢速冷凍程序并沒(méi)有存活。在絕望中，我們開(kāi)始借鑒我在日本北海道的朋友川久弘（Kazuhiro Saeki）最新的方法進(jìn)行玻璃化實(shí)驗(yàn)。我們使用了0.25毫升的標(biāo)準(zhǔn)受精麥管，為了避免密封麥管破裂，需要采用氣相分步冷卻，這種方法產(chǎn)生相對(duì)緩慢的冷卻速度。最終我們獲得了幾個(gè)存活胚胎，牛甚至還成功受孕了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是好的，但仍然不是最佳的。

然后在1997年，我們?cè)诜▏?guó)尼斯舉行了一個(gè)會(huì)議。尼斯是地中海旁一個(gè)迷人的城市，有著美麗的海洋，可我卻整個(gè)晚上被困在一個(gè)非常擁擠的關(guān)于玻璃化冷凍技術(shù)的的演示中，聰明的前輩們分析了我們效率低下的原因，列舉了無(wú)數(shù)的死胡同和失敗的例子。我很無(wú)聊，想逃跑，想去海灘，想喝杯啤酒，但是找不到門(mén)在哪。為了抑制我的憤怒，我拿出一小張紙，試圖找到大科學(xué)家們無(wú)法解決的問(wèn)題的答案。

回到丹麥后，我立即去了實(shí)驗(yàn)室，試著根據(jù)我的草圖來(lái)制作冷凍管。在我在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的第二天，我用牛胚做了一些初步的試驗(yàn)，結(jié)果還不錯(cuò)。在接下來(lái)的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，我還發(fā)現(xiàn)了這個(gè)新方法隱藏的一些優(yōu)點(diǎn)。幾周后，我改進(jìn)了方法，調(diào)整了參數(shù)，并請(qǐng)我的朋友對(duì)降溫速率進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果好于預(yù)期，達(dá)到了16000-25000℃/分鐘。在三個(gè)月的時(shí)間里，我有了足夠的數(shù)據(jù)來(lái)寫(xiě)一篇論文，這篇論文現(xiàn)在已經(jīng)被引用超過(guò)了1200次，并且成為了哺乳動(dòng)物胚胎冷凍保存中引用最多的文獻(xiàn)（Vajta et al., 1998）。

這是第一個(gè)專(zhuān)門(mén)為快速玻璃化冷凍制造工具的故事，從故事中你可以得知我喜歡冷凍管OPS（Open Pulled Straw）的理由。在接下來(lái)的3-4年里，我成功地將家畜胚胎學(xué)中幾乎所有可用東西都玻璃化冷凍了。后來(lái)OPS也幫助實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)輔助生殖技術(shù)中的偉大成就，包括第一個(gè)將人類(lèi)卵母細(xì)胞和受精卵玻璃化保存后誕生的人類(lèi)嬰兒，以及成為最有效的人類(lèi)胚胎干細(xì)胞冷凍保存方法（Kuleshova et al., 1999; Selman and El-Danasouri, 2002; Reubinoff et al.2001）。

至于問(wèn)題的第二部分，為什么你應(yīng)該喜歡玻璃化，我的答案是：這是一種獨(dú)特的方法，奇妙地將古老的手工實(shí)驗(yàn)室混合其中，你可以理解為我們使用了前輩們100-150年前的技術(shù)，獲得了21世紀(jì)的成就。為了解決不孕不育夫婦面臨的難題，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬(wàn)現(xiàn)在和未來(lái)家庭的夢(mèng)想，通過(guò)使用簡(jiǎn)單的工具、解決方案和操作為打開(kāi)人類(lèi)輔助生殖全新的視角，讓一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)鏈的關(guān)鍵工序中能夠獨(dú)立工作，并最終獲得一個(gè)新生命，這就是玻璃化冷凍技術(shù)。

參考閱讀：

Are programmable freezers still needed in the embryo laboratory? Review on vitrification.Vajta G, Nagy ZP.

Reprod Biomed Online. 2006 Jun;12(6):779-96. Review. PMID: 16792858