核心技术

十年磨一剑,精准高效,引领安全冻存新时代

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首席科学家

王健君
  • 赛存生物首席科学家
  • 国际顶尖控冰材料专家
  • 中科院理化所前沿交叉中心主任
  • 国家杰出青年基金获得者
  • 北京自然科学一等奖
  • 华东理工大学应用化学本科&硕士
  • 德国美因茨大学理学博士
  • 德国马普高分子研究所课题组长
  • 研究领域
  • 科研项目
  • 重要成就与荣誉
  • 学术成就

王健君研究员的研究领域包括冰晶形成分子机制、控冰材料开发与应用等,特别是在仿生控冰材料开发、细胞组织等生物样品的冷冻保存方面取得了显著成果。

  • 2024.10-2029.9

    中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项(B类先导专项):大尺度器官长时低温保存。

  • 2023-2027年

    国家自然科学基金委员会交叉科学部重大项目“组织器官仿生控冰冻存的分子机制”。

  • 2022-2025年

    主持科技部国家十四五重点研发计划“睾丸组织生精小管冻融损伤机理与功能修复”,所属项目:生殖细胞与性腺组织冻融关键机理研究及功能修复新技术研发应用。

  • 2021-2025年

    主持中科院重点部署项目“神经元前体细胞及眼角膜内皮组织控冰冷冻保存材料”。

  • 2020-2024年

    主持基金委杰出青年科学基金项目“高分子材料表面与界面的研究”。

  • 2019-2024年

    主持中科院0-1原始创新项目“仿生控冰冷冻保存试剂研究”。

  • 2024年

    “生殖系细胞与复杂组织仿生控冰冻存关键技术突破与应用”研究成果荣获北京市科学技术奖技术发明二等奖

  • 2022年

    “冰晶形成机制研究与应用”研究成果荣获北京市科学技术奖自然科学一等奖(第一完成人)。

  • 2019年

    王健君团队的研究成果在《Nature》上发表,该研究首次实验探测到随机、瞬间存在的纳米临界冰核,阐明了临界冰核的形成机制,验证了经典成核理论的普适性。

  • 2019年

    王健君团队在Science china chemistry《Sci》上发表的研究进一步揭示了抗冻蛋白的特性,并首次提出控冰材料在冰水界面充分铺展性是实现高效控冰性能的分子机制。团队的其他研究成果也在《Science China Chemistry》等期刊上发表。

  • 1、2019年,王健君研究员团队在《Nature》发表文章《Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets》,设计制备了尺寸可调、尺寸分布窄、形状固定的氧化石墨烯纳米颗粒。研究了水滴中不同尺寸氧化石墨烯对冰晶成核的影响。发现在纳米粒子边界效应的作用下,仅当纳米粒子的尺寸等于或大于临界冰核的尺寸时,冰晶才能形成。由此可采用纳米粒子探测瞬间存在的纳米临界冰核,从而证实了百年前预言。

  • 2、在仿生控冰冻存材料和防覆冰涂层材料领域申请了系列专利包,并在《Nature》、《Science Advances》、《JACS》和《PNAS》等国际知名期刊上发表多篇研究论文。

    创制了新型控冰冻存材料,用于细胞与组织的深低温冷冻保存,部分新型控冰冻存试剂成功实现商品化。

  • 3、针对卵母细胞冻存液中含有大量的、不易除去的具有毒性的二甲基亚砜等小分子的问题,设计制备了系列可生物降解的高分子控冰材料,实现了二甲基亚砜零含量的新型控冰冷冻保存试剂,显著提高了冻存后细胞的复苏率和功能。

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技术路线

控冰冻存技术
十年磨一剑,精准高效,引领安全冻存新时代

自然界中抗冻蛋白的发现可追溯至20世纪60年代末,由Peter L. Davies在南极鱼类的血液中首次揭开神秘面纱。此后,科学家们相继在其他耐寒生物体内发现了多样化的抗冻蛋白。这类独特的糖蛋白赋予了耐寒生物在极端寒冷环境中生存的能力,有效防止冰晶对其造成的损伤。

赛存团队深入探究了抗冻蛋白的作用机理,揭示了抗冻蛋白的结构,并通过严格筛选药典中的安全成分,成功合成了具有与自然抗冻蛋白相似结构和机理的控冰分子材料,模拟了自然界抗冻蛋白的特性,在低温环境下能够强有力的保护生物样本的活性和功能。在此基础上,我们逐步构建了并完善了控冰冻存技术的理论体系,并持续探索多种动植物中的抗冻蛋白,成功合成并筛选了数百种功能不同的控冰材料,构建了全球最大的控冰材料库。

历经超过十年的不懈努力与技术积累,赛存团队依托控冰材料库,开发了数十种针对不同类型样本的、安全、高效的商品化冻存液产品。我们致力于以专业、精准的技术,引领生物样本安全冻存的新纪元。

提取自然界酷寒生命体
抗冻蛋白

研究抗冻蛋白
控冰机理

筛选合成
仿生控冰材料

独创控冰冻存
技术理论

构建药典成分
控冰材料库

研制多种控冰
保护剂

开启控冰冻存液
商品化

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冻存“新”纪元

控冰冻存技术

  • 高效控冰

    控冰效率为传统冻存剂的上万倍,允许冰晶形成,高效抑制冰晶生长,大幅提升冻存有效性

  • 成分安全

    控冰材料全部从药典中筛选,成分安全,安全剂量以下即可发挥高效控冰功能

  • 普适性强

    针对不同类型、不同体积的生物样本,可分别选取不同的控冰材料组合,实现针对每种样本的高效冻存

  • 双向协调

    控冰材料既可单兵作战实现安全冻存,又可与玻璃化试剂共用,降低其毒性,实现性能进一步提升

控冰冻存技术与玻璃化冻存技术的原理存在显著差异,其核心并不在于完全抑制冰晶的生成,反而在于促进大量小冰核的生成,然后控制冰晶的生长。通过添加专门设计的控冰保护剂,有效分散单一冰核的能量至众多微小冰核之中,从根本上预防了冰核可能发生的爆发式增长。控冰保护剂不仅扮演能量分散的角色,更能够精细调控冰晶的尺寸、形态以及生长速度,确保在低温条件下形成的极微小冰晶不会对细胞等生物样本造成损害。

正因为上述特性,这些经过在药典内严格筛选的控冰分子,能够在安全剂量范围内充分发挥其控冰效能,从而实现生物样本的安全且高效保活冻存。控冰冻存技术通过对冰晶从成核至生长的全链路精准控制,有效规避了复温过程中可能出现的冰晶爆发式增长带来的风险,显著提升了冻存效率,为生物样本的低温保存提供了全方位的保护。

控冰冻存技术以其独特的策略和专业性的实施,确保了生物样本在低温环境下的稳定保存,是全新技术路线的新一代先进冷冻保存技术。

自研控冰材料: 成分安全冰晶可控实现高效冻存

传统玻璃化冻存技术

  • 冰晶爆发增长

    复温过程中无法控制冰晶生长,易出现爆发式增长现象,造成机械损伤

  • 蛋白结构变性

    强氢键作用导致蛋白结构变性,影响细胞功能

  • 改变膜通透性

    强渗透性溶剂改变膜通透性,造成细胞内外离子紊乱

  • 大体积样本损伤

    大体积(厘米级以上)样本内环境复杂,多种成核界面,造成严重损伤

传统玻璃化技术路线的核心原理是通过向水中添加特定的玻璃化保护剂,在降温过程中促使水进入一种理论上介于固态和液态之间的“玻璃态”。在这种状态下,理论上没有冰晶的产生,可以最小化对生物样本的损害。

然而,在实际操作中,完全消除冰晶的生成极具挑战性。具体而言,生物样本在经历低温冷冻及随后的复温过程中,其所处的液体环境往往难以确保温度的绝对均一性。特别是在两个不同温度点之间,温差就可能导致所谓的“结晶点”。这些结晶点一旦形成,便成为冰晶爆发的起点。此外,在运输过程中,体系的震荡、撞击同样有可能形成冰晶。在无有效策略控制冰晶生长的情况下,冰晶将以不规则且尖锐的形态迅速扩展,可称“爆发式增长”。冰晶的爆发式增长可能带来细胞机械化损伤、功能丧失甚至细胞死亡,对生物样本构成严重威胁,显著降低样本的复苏成功率。

此外,普遍使用的玻璃化保护剂为二甲基亚砜(DMSO),这是一种具有细胞毒性的化合物,在冻存和复苏过程中对细胞具有潜在的杀伤,难以做到高效而安全的冻存,同时也阻碍的复苏后样本的下游应用。

常用DMSO: 存在毒性冰晶不可控效果有限
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技术和平台优势

01

创新冻存技术

实现复杂样本0-1的冻存突破

赛存生物首创“控冰冻存”技术,成功摆脱了传统玻璃化冻存技术的局限,无需依赖玻璃化冷冻保护剂,便能轻松应对复杂样本的冻存挑战。

控冰冻存技术利用多种自研控冰材料,模拟自然界多物种抗冻蛋白特性,达到对冰晶的成核、体积、形状、生长速度的全链路控制效果,从而实现安全高效的样本冻存,满足多样的样本冻存需求。自公司成立以来,我们已成功实现了γδ-T细胞、iPSC、神经前体细胞、新鲜脂肪组织等多种高难度样本的0-1冻存技术突破,为生物医学研究和临床应用提供了可靠保障。

02

构建控冰材料库

打造冻存技术开发平台

赛存生物基于对自然界抗冻蛋白特性的深入研究,从药典中筛选出上百种具有控冰特性的分子材料,构建了庞大的控冰材料库,可通过灵活搭配不同材料的特点和性能,为每种冷敏感度不同的样本量身定制最合适的冻存配方。依靠这一材料多样且配方体系高度灵活的控冰材料库,使我们能够理论上实现任意生物样本的冻存,并为多种现存的商品化冻存液无法有效冻存的特殊样本提供定制化冻存服务。

03

双技术叠加

确保冻存高效性与安全性

赛存生物可实现“控冰材料+玻璃化冷冻保护剂”的双技术叠加态,通过控冰材料与DMSO在细胞内的竞争关系,从而在很大程度上保证了冻存的高效性,又在一定程度上降低了DMSO带来的细胞毒性。这种技术“叠加态”对于后续低温冻存和复苏安全性要求不高的应用场景,我们能够实现相对安全又高效的低温冻存。而在安全性要求极高的应用场景下,控冰材料亦可独立完成控制冰晶的低温冻存保护任务,无需依赖DMSO来抑制冰晶,彻底摆脱DMSO对生物样本的毒副作用,极大地提高了冻存过程的安全性,有效性。

04

坚持自主创新

核心技术全面自主可控

赛存生物基于控冰材料和控冰冻存技术,已成功申请并获得16项核心专利和2项技术秘密,实现了核心技术的全面自主可控。这不仅从根本上解决了国外技术依赖问题,还打破了技术和产品被“卡脖子”的困境,为我国生物样本冻存技术的发展奠定了坚实基础。

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