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，化學或結(jié)構組成等。

哺乳動物生殖生物學中的低溫保存研究的主要是以水成分的結(jié)構，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)構重排實現(xiàn)的，即冷凍，如冰晶形成。但是，冰晶對生物結(jié)構是有害的，會使細胞膜破裂，破壞精細的細胞器，甚至使細胞或生物體死亡。盡管有些動植物經(jīng)過進化后通過形成抗凍蛋白的保護機制避免冰晶產(chǎn)生，但這種保護機制的效率是非常有限的，不能用于超低溫生物學。

幸運的是，有另一種方法可以在低溫下固化水和相關的生物結(jié)構，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。在胚胎學中的玻璃化，正確的術語應該是降溫（cooling）和升溫（warming），對玻璃化胚胎而言，我們進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，一些胚胎學家和公司認為，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劑。這些化學物質(zhì)或有機添加劑以兩種不同的方式防止結(jié)冰。1：通過滲透作用，將水從細胞中排出，使有機分子濃度增加以阻礙冰的形成。2：通過進入細胞和/或連接到外膜及保護結(jié)構免受低溫損傷。我不得不又再次承認，這些機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?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準化的技術，在確保過程高效、無害的同時又易于學習和重復，并能夠獲得穩(wěn)定和適當?shù)慕Y(jié)果。

這些是我們——輔助生殖技術中的胚胎學家的職責。

為什么喜歡玻璃化冷凍技術？

30年前，當我開始在胚胎學領域工作時，玻璃化是一項新穎的技術。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）最新的方法進行玻璃化實驗。我們使用了0.25毫升的標準受精麥管，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于玻璃化冷凍技術的的演示中，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，我改進了方法，調(diào)整了參數(shù)，并請我的朋友對降溫速率進行測量，結(jié)果好于預期，達到了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（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中的偉大成就，包括第一個將人類卵母細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，獲得了21世紀的成就。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，讓一個復雜的技術鏈的關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。

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