Barry Behr 是斯坦福大學婦產科助理教授兼體外受精 (IVF) 實驗室主任，以及亨廷頓生殖中心的諮詢實驗室主任。 他與 SciAm.com 副編輯 Sarah Graham 進行了對話。以下是他們對話的編輯稿
SA：冷凍胚胎的過程是什麼？
細胞冷凍技術已經存在幾十年了。細胞冷凍儲存的主要問題是在細胞內部可能形成冰晶。你可以想象它們就像氣球內部的小剃刀片：冰晶有尖銳的邊角和小點。因此，它們會損害細胞膜或存在於細胞質內的各種細胞結構的膜。這對所有細胞都是如此，無論是胚胎、牛排、魚、水果還是蔬菜。事實上，大多數人都能體驗到冷凍儲存的效果，當他們品嚐一塊冷凍過的魚和新鮮的魚時。冷凍過的魚通常更韌，味道不好，而且有一些負面特徵，可以區分它不是新鮮的。這是由於細胞死亡造成的。存在於細胞之間或細胞內部的自然結構在冷凍-解凍過程中受到損害，因此組織的風味或質地發生了改變。出於這些原因，像我這樣的懷疑論者對整個器官冷凍表示擔憂，因為很難將細胞生存所需的保護材料應用於大型組織、大型器官或身體部位。
這就引出了卵子、胚胎或精子冷凍的問題。我們冷凍的最先進的胚胎是 100 到 120 個細胞，被稱為囊胚。它的大小約為 120 微米，即十分之一毫米左右，因此非常適合冷凍和使用冷凍保護劑。冷凍保護劑基本上是我們新增到細胞冷凍溶液中的防凍劑，以保護它們免受膜損傷和冰晶損傷。它們的設計目的是既能滲透細胞（即進入細胞內部），又能置換水分以防止細胞內冰晶形成。它們還有第二個功能，即穩定細胞膜並保護其在冷凍儲存過程中免受損傷。第三，它們提供了一個“高滲”環境，有助於脫水過程，從而將細胞中的水分吸出。這個過程是透過使用通常由大糖分子組成的冷凍保護劑來實現的，這些糖分子會在細胞周圍形成更濃縮的溶液，透過滲透和擴散，使水分流出。與此同時，由乙二醇或甘油等較小分子組成的冷凍保護劑能夠滲透細胞，因此細胞不會像葡萄乾一樣收縮。相反，它可以在一定程度上保持其三維結構，但不會充滿水。因為我們的細胞主要由水組成，如果我們將其脫水到沒有液體的程度，它們會被所謂的溶液效應所損害，這是由於細胞過於濃縮，其水分沒有被其他化合物取代造成的。
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脫水是冷凍儲存的關鍵步驟之一。重要的是要記住，為什麼這個過程對胚胎和精子如此成功，是因為它們的大小和相對較少的細胞數量。肝臟或腎臟有數十億個細胞和一個大型三維結構。十分之一毫米相對較小，相比之下，儘管在微觀層面上仍然很大。
有一種新興技術叫做玻璃化，它不同於傳統的慢冷或慢凍冷凍儲存。傳統方法需要在 10 到 20 分鐘內按順序新增冷凍保護劑，然後進行大約兩個小時的過程，以大約每分鐘 0.3 到 2 度的速度將細胞冷卻到 -196 攝氏度，即液氮的溫度。緩慢冷卻的原因是為了使冷凍保護劑滲透，並以一種不會形成細胞內冰晶的方式使細胞充分脫水。
然而，玻璃化是一種使用濃度高得多的冷凍保護劑的技術——大約高出三到四倍。但冷卻速度快 10,000 倍。因此，我們透過將它們直接浸入液氮中，以每分鐘 10,000 到 20,000 度的速度冷卻物體。快速冷卻是必要的，以實現兩個目的：防止室溫下高濃度冷凍保護劑的毒性，並實現玻璃化，這意味著玻璃形成。根據定義，玻璃化是透過增加粘度而固化。因此，不是經歷從液態到固態的相變，而是發生玻璃形成，這使得細胞可以在其現有狀態下儲存，而無需經歷在慢冷中實現的完全脫水。但這確實存在一些問題。首先，人們擔心需要高濃度的冷凍保護劑。最重要的是，獲得所需冷卻速度的唯一方法是讓細胞與液氮直接接觸，而液氮可能是疾病傳播的載體。玻璃化技術在日本和美國的一些地方使用得相當多，但目前美國還沒有 FDA 批准的玻璃化系統或介質。相反，有許多傳統的冷凍保護劑溶液可以從供應商處購買，這些溶液已獲得 FDA 批准。因此，儘管玻璃化技術有點問題，並且尚未提供優越的結果，但它在時間框架上要優越得多。它也不需要昂貴的裝置，這些裝置可以以每分鐘三分之一度的速度冷卻腔室。你需要一臺 10,000 到 20,000 美元的機器才能做到這一點，而這基本上是一個你可以倒入液氮的泡沫塑膠桶。它有一些理論上的優勢，但還沒有完全走出困境。
SA：傳統的冷凍儲存過程需要多長時間？
標準方法大約需要兩個小時。零下 196 攝氏度接近絕對零度，但它不是絕對零度，絕對零度是理論上沒有生物活動發生的溫度。它肯定足夠接近停止生物活動，並允許從冷凍長達 14 年的冷凍胚胎中出生的嬰兒。就我所知，14 年是胚胎冷凍後活產的最長時間。
SA：胚胎的儲存時間有任何限制嗎？
理論上應該比 [14 年] 長得多。即使認為隨著時間的推移會發生一些退化，也應該是一個世紀或兩個世紀。自從大約 20 年前第一次胚胎冷凍以來，我們對冷凍儲存有了很多瞭解。那時冷凍的胚胎可能都已經被用完了——人們通常不會等待 14 年才要孩子。生殖和建立家庭的性質實際上並沒有營造一種允許你在解凍胚胎前等待 50 年的環境。例如，除非你的女兒想攜帶她的兄弟姐妹，這在理論上是可能的：一個透過試管受精出生的人可能仍然有冷凍的兄弟姐妹胚胎，當他們到 30 歲並且不孕時，可以技術上解凍在他們被創造的同時創造的胚胎，懷孕並生下他們的兄弟姐妹。這還沒有發生，但有可能。
SA：胚胎在使用或植入前是如何處理的？
它基本上是相反的過程。解凍時必須實現的關鍵因素是在不將其吹爆的情況下使細胞再水合。我們在空氣和水浴中而不是在機器中對其進行加熱，並且加熱速率不如冷卻速率精確和快速。胚胎會經過多個步驟，以緩慢稀釋在冷凍時新增的冷凍保護劑。當細胞首先被加熱到室溫，然後加熱到體溫時，冷凍保護劑會被逐步稀釋。然後它們基本上會被靜置，通常在達到體溫後兩到四個小時內植入。
值得注意的是，成功的精子冷凍早在任何其他型別的細胞冷凍之前就完成了。精子很容易冷凍，因為它們沒有細胞質，因此不易受到前面提到的所有型別的損傷。
SA：冷凍胚胎試管受精的成功率是多少？
第一個透過冷凍儲存的胚胎出生的嬰兒是在 1986 年。冷凍胚胎試管受精的成功率約為新鮮胚胎的三分之二。很難給出一個明確的數字，因為它取決於你處理的原材料。懷孕率主要由年齡決定，因此如果你 40 歲，你的機會遠不如 30 歲時。