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凍結防止剤とは、生物組織を凍結による損傷（氷の形成による損傷）から保護するために使用される物質です。北極や南極の昆虫、魚類、両生類は、寒い冬の時期に凍結による損傷を最小限に抑えるため、体内で凍結防止剤（不凍化合物や不凍タンパク質）を生成します。凍結防止剤は、生物学の研究における生体試料の保存や食品の保存にも使用されます。
長年にわたり、グリセロールは血液細胞や雄牛の精子の凍結保護剤として低温生物学で使用されており、約 -196 °C の温度で液体窒素中に保存することを可能にしています。しかし、グリセロールは臓器 全体を損傷から保護するために使用することはできません。代わりに、多くのバイオテクノロジー企業が、そのような用途により適した他の凍結保護剤の開発を研究しています。発見が成功すれば、最終的には移植可能なヒトおよび異種生物の臓器の大量低温保存（または「バンク」）が可能になるかもしれません。その方向への大きな一歩は既に達成されています。Twenty -First Century Medicine は、独自のガラス化カクテルを使用してウサギの腎臓を-135 °C でガラス化しました。再加温後、腎臓はウサギに移植され、完全な機能と生存能力を維持し、唯一の機能する腎臓としてウサギを無期限に維持することができました。[ 1 ]
凍結保護剤は、細胞内の溶質濃度を高めることによって作用する。しかし、生物学的に有効であるためには、細胞に容易に浸透し、かつ細胞に対して毒性を示さないことが条件となる。
一部の凍結保護剤は、溶液または物質のガラス転移温度を下げることによって機能します。このようにして、凍結保護剤は実際の凍結を防ぎ、溶液はガラス相で一定の柔軟性を維持します。多くの凍結保護剤は、水分子が置換される際に生体分子と水素結合を形成することによっても機能します。水溶液中の水素結合は、タンパク質とDNAの適切な機能にとって重要です。したがって、凍結保護剤が水分子を置換すると、生体物質はもはや水性環境に浸されていなくても、本来の生理学的構造と機能を維持します。この保存戦略は、無水生合成において最もよく利用されます。
凍結保護剤の混合物は、単剤の凍結保護剤よりも毒性が低く、効果が高い。 [ 2 ]ホルムアミドとDMSO（ジメチルスルホキシド）、プロピレングリコール、コロイドの混合物は、長年にわたり、人工的に作られた凍結保護剤の中で最も効果的であった。凍結保護剤の混合物は、ガラス化（結晶氷の形成を伴わない固化）に使用されてきた。ガラス化は、胚、生物組織、移植用臓器の保存において重要な用途がある。ガラス化は、凍結による損傷をなくすために、クライオニクスでも使用されている。
従来の凍結保護剤は、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセロールなどのグリコール類（少なくとも2つのヒドロキシル基を含むアルコール）です。エチレングリコールは自動車の不凍液として一般的に使用されており、プロピレングリコールはアイスクリームの氷の形成を抑制するために使用されてきました。ジメチルスルホキシド（DMSO）も従来の凍結保護剤とみなされています。グリセロールとDMSOは、液体窒素で低温保存された精子[ 3 ]、卵母細胞[ 4 ]、および胚の氷の形成を抑制するために、数十年にわたり凍結生物学者によって使用されてきました。動物遺伝資源の凍結保存は、将来の復活を目的として遺伝物質を保存するために従来の凍結保護剤を使用する実践です。トレハロースは、酵母や昆虫によって大量に生産される非還元糖です。商業システムでの凍結保護剤としての使用は広く特許化されています。
北極圏の魚は、凍結防止剤として、糖類が付加された不凍タンパク質を利用する。
昆虫は凍結保護剤として糖類やポリオールを最もよく利用する。凍結保護剤を利用する種の1つに、Polistes exclamans（スズメバチの一種）がある。この種では、凍結保護剤のレベルの違いを利用して形態を区別することができる。[ 5 ]
寒さに適応した北極のカエル、例えばアカガエルや極地および亜極地の他の変温動物は自然にグルコースを生成するが[ 6 ]、ミナミブラウンツリーフロッグや北極サンショウウオは肝臓でグリセロールを生成して氷の形成を減らす。
北極圏に生息するカエルがブドウ糖を凍結防止剤として利用する際、低温下では大量のブドウ糖が放出され、特殊なインスリンによってこの余分なブドウ糖が細胞内に取り込まれる。春になりカエルの体温が上昇すると、余分なブドウ糖は速やかに体外に排出される必要があるが、同時に貯蔵もされなければならない。
食品の保存には、凍結防止剤も使用されます。これらの化合物は通常、安価で毒性の懸念がない糖類です。例えば、多くの（生の）冷凍鶏肉製品には、水に溶かしたショ糖とリン酸ナトリウムの溶液が含まれています。
7. Urmatskikh AV「細胞、臓器、組織および生物の凍結保存方法」RU 2804972 C2、2022年5月4日。