Barry Behr 是斯坦福大学妇产科助理教授兼体外受精 (IVF) 实验室主任，以及亨廷顿生殖中心的咨询实验室主任。 他与 SciAm.com 副编辑 Sarah Graham 进行了对话。以下是他们对话的编辑稿
SA：冷冻胚胎的过程是什么？
细胞冷冻技术已经存在几十年了。细胞冷冻保存的主要问题是在细胞内部可能形成冰晶。你可以想象它们就像气球内部的小剃刀片：冰晶有尖锐的边角和小点。因此，它们会损害细胞膜或存在于细胞质内的各种细胞结构的膜。这对所有细胞都是如此，无论是胚胎、牛排、鱼、水果还是蔬菜。事实上，大多数人都能体验到冷冻保存的效果，当他们品尝一块冷冻过的鱼和新鲜的鱼时。冷冻过的鱼通常更韧，味道不好，而且有一些负面特征，可以区分它不是新鲜的。这是由于细胞死亡造成的。存在于细胞之间或细胞内部的自然结构在冷冻-解冻过程中受到损害，因此组织的风味或质地发生了改变。出于这些原因，像我这样的怀疑论者对整个器官冷冻表示担忧，因为很难将细胞生存所需的保护材料应用于大型组织、大型器官或身体部位。
这就引出了卵子、胚胎或精子冷冻的问题。我们冷冻的最先进的胚胎是 100 到 120 个细胞，被称为囊胚。它的大小约为 120 微米，即十分之一毫米左右，因此非常适合冷冻和使用冷冻保护剂。冷冻保护剂基本上是我们添加到细胞冷冻溶液中的防冻剂，以保护它们免受膜损伤和冰晶损伤。它们的设计目的是既能渗透细胞（即进入细胞内部），又能置换水分以防止细胞内冰晶形成。它们还有第二个功能，即稳定细胞膜并保护其在冷冻保存过程中免受损伤。第三，它们提供了一个“高渗”环境，有助于脱水过程，从而将细胞中的水分吸出。这个过程是通过使用通常由大糖分子组成的冷冻保护剂来实现的，这些糖分子会在细胞周围形成更浓缩的溶液，通过渗透和扩散，使水分流出。与此同时，由乙二醇或甘油等较小分子组成的冷冻保护剂能够渗透细胞，因此细胞不会像葡萄干一样收缩。相反，它可以在一定程度上保持其三维结构，但不会充满水。因为我们的细胞主要由水组成，如果我们将其脱水到没有液体的程度，它们会被所谓的溶液效应所损害，这是由于细胞过于浓缩，其水分没有被其他化合物取代造成的。
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脱水是冷冻保存的关键步骤之一。重要的是要记住，为什么这个过程对胚胎和精子如此成功，是因为它们的大小和相对较少的细胞数量。肝脏或肾脏有数十亿个细胞和一个大型三维结构。十分之一毫米相对较小，相比之下，尽管在微观层面上仍然很大。
有一种新兴技术叫做玻璃化，它不同于传统的慢冷或慢冻冷冻保存。传统方法需要在 10 到 20 分钟内按顺序添加冷冻保护剂，然后进行大约两个小时的过程，以大约每分钟 0.3 到 2 度的速度将细胞冷却到 -196 摄氏度，即液氮的温度。缓慢冷却的原因是为了使冷冻保护剂渗透，并以一种不会形成细胞内冰晶的方式使细胞充分脱水。
然而，玻璃化是一种使用浓度高得多的冷冻保护剂的技术——大约高出三到四倍。但冷却速度快 10,000 倍。因此，我们通过将它们直接浸入液氮中，以每分钟 10,000 到 20,000 度的速度冷却物体。快速冷却是必要的，以实现两个目的：防止室温下高浓度冷冻保护剂的毒性，并实现玻璃化，这意味着玻璃形成。根据定义，玻璃化是通过增加粘度而固化。因此，不是经历从液态到固态的相变，而是发生玻璃形成，这使得细胞可以在其现有状态下保存，而无需经历在慢冷中实现的完全脱水。但这确实存在一些问题。首先，人们担心需要高浓度的冷冻保护剂。最重要的是，获得所需冷却速度的唯一方法是让细胞与液氮直接接触，而液氮可能是疾病传播的载体。玻璃化技术在日本和美国的一些地方使用得相当多，但目前美国还没有 FDA 批准的玻璃化系统或介质。相反，有许多传统的冷冻保护剂溶液可以从供应商处购买，这些溶液已获得 FDA 批准。因此，尽管玻璃化技术有点问题，并且尚未提供优越的结果，但它在时间框架上要优越得多。它也不需要昂贵的设备，这些设备可以以每分钟三分之一度的速度冷却腔室。你需要一台 10,000 到 20,000 美元的机器才能做到这一点，而这基本上是一个你可以倒入液氮的泡沫塑料桶。它有一些理论上的优势，但还没有完全走出困境。
SA：传统的冷冻保存过程需要多长时间？
标准方法大约需要两个小时。零下 196 摄氏度接近绝对零度，但它不是绝对零度，绝对零度是理论上没有生物活动发生的温度。它肯定足够接近停止生物活动，并允许从冷冻长达 14 年的冷冻胚胎中出生的婴儿。就我所知，14 年是胚胎冷冻后活产的最长时间。
SA：胚胎的储存时间有任何限制吗？
理论上应该比 [14 年] 长得多。即使认为随着时间的推移会发生一些退化，也应该是一个世纪或两个世纪。自从大约 20 年前第一次胚胎冷冻以来，我们对冷冻保存有了很多了解。那时冷冻的胚胎可能都已经被用完了——人们通常不会等待 14 年才要孩子。生殖和建立家庭的性质实际上并没有营造一种允许你在解冻胚胎前等待 50 年的环境。例如，除非你的女儿想携带她的兄弟姐妹，这在理论上是可能的：一个通过试管受精出生的人可能仍然有冷冻的兄弟姐妹胚胎，当他们到 30 岁并且不孕时，可以技术上解冻在他们被创造的同时创造的胚胎，怀孕并生下他们的兄弟姐妹。这还没有发生，但有可能。
SA：胚胎在使用或植入前是如何处理的？
它基本上是相反的过程。解冻时必须实现的关键因素是在不将其吹爆的情况下使细胞再水合。我们在空气和水浴中而不是在机器中对其进行加热，并且加热速率不如冷却速率精确和快速。胚胎会经过多个步骤，以缓慢稀释在冷冻时添加的冷冻保护剂。当细胞首先被加热到室温，然后加热到体温时，冷冻保护剂会被逐步稀释。然后它们基本上会被静置，通常在达到体温后两到四个小时内植入。
值得注意的是，成功的精子冷冻早在任何其他类型的细胞冷冻之前就完成了。精子很容易冷冻，因为它们没有细胞质，因此不易受到前面提到的所有类型的损伤。
SA：冷冻胚胎试管受精的成功率是多少？
第一个通过冷冻保存的胚胎出生的婴儿是在 1986 年。冷冻胚胎试管受精的成功率约为新鲜胚胎的三分之二。很难给出一个明确的数字，因为它取决于你处理的原材料。怀孕率主要由年龄决定，因此如果你 40 岁，你的机会远不如 30 岁时。