我們知道物質(zhì)有四個普遍的階段或狀態(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。這種降溫過程可能需要從液體到固體的相變，通常是通過水的結(jié)構(gòu)重排實現(xiàn)的，即冷凍，如冰晶形成。但是，冰晶對生物結(jié)構(gòu)是有害的，會使細(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。盡管有些動植物經(jīng)過進(jìn)化后通過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)，這種過程被稱為玻璃化。這個名字源于玻璃的拉丁語“vitreum”，事實上，它與二氧化硅玻璃生產(chǎn)過程中發(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。其他一些常見的例子如：棉花糖（玻璃化后的糖）和冰糖的對比；普通的織物在熨燙后也會有一些纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變；瓷器也是通過將陶土的溫度加熱至超過1200℃，再冷卻后形成玻璃化的結(jié)果。

一般來說，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l(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動，沒有任何重組，都保持在原來的位置。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)語應(yīng)該是降溫（cooling）和升溫（warming），對玻璃化胚胎而言，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)則也逐漸被專業(yè)人士遺忘了。

要在水中誘導(dǎo)玻璃化并在整個低溫保存過程（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。對于為什么需要較高的降溫和升溫速率的一個常見解釋是：不允許有時間結(jié)冰。我不確定這個看似合理的解釋是否完全正確，但對于一個生殖學(xué)家來說，“怎么做”比“為什么”更重要。在常規(guī)實驗室中，我們能使用相對簡單的方法達(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。但他們對此理論的證據(jù)相當(dāng)薄弱，因此多數(shù)實驗并不支持這種觀點。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)添加劑以兩種不同的方式防止結(jié)冰。1：通過滲透作用，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)制并沒有被很好地理解，但它們是有效的。

我們需要減少降溫時的液量。在降溫時，過多的液體量會促使冰晶的形成。幸運的是，微體積也很實用，可以達(dá)到很高的降溫和升溫速率，不過這可以說是純粹的運氣！但好運不會就此止步，通過安排適當(dāng)?shù)牟ＡЩ瘲l件，我們可以避免傳統(tǒng)慢速冷凍中常見的另外兩個問題：破裂損傷和冷卻損傷（這將在以后章節(jié)討論）。

為了滿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)，在確保過程高效、無害的同時又易于學(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)我開始在胚胎學(xué)領(lǐng)域工作時，玻璃化是一項新穎的技術(shù)。不知道是不幸還是幸運，我們實驗室的牛體外受精而來的囊胚在當(dāng)時通過傳統(tǒng)慢速冷凍程序并沒有存活。在絕望中，我們開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)行玻璃化實驗。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)生相對緩慢的冷卻速度。最終我們獲得了幾個存活胚胎，牛甚至還成功受孕了。實驗結(jié)果是好的，但仍然不是最佳的。

然后在1997年，我們在法國尼斯舉行了一個會議。尼斯是地中海旁一個迷人的城市，有著美麗的海洋，可我卻整個晚上被困在一個非常擁擠的關(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，列舉了無數(shù)的死胡同和失敗的例子。我很無聊，想逃跑，想去海灘，想喝杯啤酒，但是找不到門在哪。為了抑制我的憤怒，我拿出一小張紙，試圖找到大科學(xué)家們無法解決的問題的答案。

回到丹麥后，我立即去了實驗室，試著根據(jù)我的草圖來制作冷凍管。在我在實驗室測試的第二天，我用牛胚做了一些初步的試驗，結(jié)果還不錯。在接下來的幾個小時內(nèi)，我還發(fā)現(xiàn)了這個新方法隱藏的一些優(yōu)點。幾周后，我改進(jìn)了方法，調(diào)整了參數(shù)，并請我的朋友對降溫速率進(jìn)行測量，結(jié)果好于預(yù)期，達(dá)到了16000-25000℃/分鐘。在三個月的時間里，我有了足夠的數(shù)據(jù)來寫一篇論文，這篇論文現(xiàn)在已經(jīng)被引用超過了1200次，并且成為了哺乳動物胚胎冷凍保存中引用最多的文獻(xiàn)（Vajta et al., 1998）。

這是第一個專門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OPS也幫助實現(xiàn)了人類輔助生殖技術(shù)中的偉大成就，包括第一個將人類卵母細(xì)胞和受精卵玻璃化保存后誕生的人類嬰兒，以及成為最有效的人類胚胎干細(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：這是一種獨特的方法，奇妙地將古老的手工實驗室混合其中，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，為了實現(xiàn)數(shù)百萬現(xiàn)在和未來家庭的夢想，通過使用簡單的工具、解決方案和操作為打開人類輔助生殖全新的視角，讓一個復(fù)雜的技術(shù)鏈的關(guān)鍵工序中能夠獨立工作，并最終獲得一個新生命，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