2026年5月4日，大健康研究院食源性功能因子合成生物学联合研究中心刘洪林研究团队在低温生物医学领域中无有机溶剂细胞保存方面取得新进展，在Cell子刊《Trends in Biotechnology》发表题为“A DNA-logic artificial cell wall for dimethyl sulfoxide-free cryopreservation and post-thaw proliferation”的研究论文。该研究开发出DNA逻辑人工细胞壁（ACW）体系，在无DMSO条件下实现Jurkat T（人急性T淋巴细胞白血病细胞）、HeLa（人宫颈癌细胞）、PL45（人胰腺导管癌细胞）等多种细胞的高效冻存，复苏后细胞活性、贴壁效率与增殖能力显著优于传统方法，并可通过酶降解恢复细胞表面原生状态。该体系解决了传统细胞低温冻存依赖有毒DMSO、复苏后细胞活性与功能受损的问题，为T细胞、肿瘤细胞等细胞库构建、细胞治疗相关基础研究提供新思路。

细胞冻存是现代生物医学的基石技术，广泛应用于生物样本库、器官移植和癌症免疫治疗等领域。然而，传统冻存方法面临两大核心挑战：一是广泛使用的冷冻保护剂二甲基亚砜（DMSO）具有细胞毒性，可引起神经毒性、心血管衰竭等严重副作用；二是冻融过程中冰晶形成破坏细胞膜完整性，复温后的氧化应激和代谢失调进一步损害细胞功能，导致复苏后细胞存活但功能受损。

近年来，研究者发展了多种替代策略，包括核酸、氨基酸、海藻糖、抗冻蛋白和合成聚合物等，但这些方法主要侧重于抑制冰晶生长，未能解决哺乳动物细胞固有的结构脆弱性问题，与植物或微生物不同，哺乳动物细胞仅有脆弱的磷脂双层膜，缺乏刚性细胞壁，在冻融循环中极易遭受机械和渗透胁迫损伤。合成细胞外基质虽可提供机械保护，但其成分需在刚性和生物活性之间取得平衡，过高的刚性反而会抑制增殖信号。

本研究提出一种DNA逻辑人工细胞壁（ACW），通过整合可编程DNA逻辑框架与钙离子交联海藻酸盐水凝胶，同时应对冻存中的两大挑战：水凝胶物理屏障保护细胞免受冰晶损伤，而DNA逻辑框架实现细胞类型特异性识别、激活胞内信号通路、促进复苏后功能恢复并抑制冰晶生长。这种防护与激活的双重机制突破了传统冻存中活性提高与功能恢复难以兼顾的限制，为高保真细胞保存与治疗提供了新途径。

首先验证了ACW平台的构建可行性（图1）。通过凝胶电泳、光谱分析和显微镜成像，证实了海藻酸修饰的DNA探针（H1-Alg）成功合成，并能通过杂交链式反应在目标细胞膜上自组装形成DNA逻辑框架（DLF）。随后钙离子交联形成连续、致密的海藻酸盐水凝胶层。流式和荧光成像表明该ACW能够在细胞膜表面原位组装，且不会诱导磷脂酰丝氨酸外翻或凋亡。更重要的是，ACW能在低温下维持细胞膜流动性、限制过度水流入胞，证明其作为物理屏障可有效抵御冷冻过程中的机械损伤与渗透休克，为无DMSO冻存奠定了结构基础。

图1. 细胞膜上ACW的特性表征。

探究了ACW在慢速冷冻/液氮存储条件下的实际保护效能（图2）。经过1个月冻存，ACW保护的三种细胞系（Jurkat T、HeLa、PL45）复苏即刻活力显著高于对照组。ACW组细胞复苏后贴壁效率（HeLa 94.2%、PL45 76.8%）远高于对照组，且Jurkat T呈现类天然的簇状生长形态。这些结果表明ACW不仅提高了存活率，更关键的是保留了细胞复苏后的功能完整性，解决了传统冻存中功能受损的问题，对细胞治疗和生物样本库建设具有直接应用价值。

图2. 冻存后Jurkat T、HeL与PL45细胞的理化特性及生理功能。

进一步揭示了ACW的冷冻保护机理（图3）。冰重结晶抑制实验表明，ACW和DLF的IRI值（约0.61–0.62）优于DMSO，这归因于DLF中疏水性poly-T序列在冰-水界面的积累。胞内冰晶分析显示，ACW将胞内冰晶面积占比从37%（未保护）降至17%，为各组最低。冰成核温度测定表明，ACW组成核温度最低，接近10% DMSO水平，远超单独的DLF或海藻酸盐。这证明ACW通过物理屏障、冰晶抑制与过冷增强的多层次协同机制，从热力学和动力学两个层面抑制冰晶形成与生长，是实现无DMSO高效冻存的科学基础。

图3. ACW体系对冰晶生长的抑制作用。

最后阐明了ACW被动保护的独特优势：主动生物学激活（图4）。划痕实验表明，保留DLF的HeLa细胞伤口闭合率达53.7%，较新鲜细胞对照组提升178.5%。Western blot证实DLF通过诱导MET受体二聚化，特异性激活下游p-MET/p-Akt信号通路，且该激活依赖于DLF的结构完整性。增殖实验显示DLF处理使HeLa细胞增殖率提升45.8%。更换非MET适配体则无此效应，验证了细胞类型特异性。这一“防护-激活”的双重机制：物理屏障保障存活、受体信号驱动功能恢复，解决了传统冻存中结构保存与功能恢复难以兼得的矛盾，为构建高保真细胞生物样本库和制备功能完整的“活药物”提供了新策略。

图4. ACW系统的细胞调控机制。

总体而言，报道了一种DNA逻辑人工细胞壁细胞冷冻保存体系，该体系将物理防护与生物激活相结合，摆脱了对DMSO细胞毒性溶剂的依赖，同时解决了细胞解冻后功能受损的难题。该体系的作用效果源于双重作用机制：海藻酸钙水凝胶可形成坚固物理屏障，抵御冰晶造成的细胞损伤；锚定在细胞膜上的 DNA功能配体（DLF）则会在细胞解冻时释放细胞调控信号。

这种防护与激活协同策略解决了低温生物医学领域的一项核心问题。DNA逻辑人工细胞壁体系能够实现细胞高效冻存，留存于细胞表面的DNA 逻辑框架可特异性诱导细胞膜表面受体二聚化（如 HeLa 细胞中的 MET 受体），进而激活 Akt 信号通路。该生物活性信号能够介导细胞功能修复，除提升细胞存活外，还可使细胞增殖能力提升 45.8%，细胞创面修复能力增强 178.5%。该体系可通过筛选可程序化适配体实现细胞类型特异性调控，且具备良好生物相容性与酶降解特性，能够使细胞恢复天然生理状态，适用于高保真细胞库构建与细胞治疗领域。