Vì sao cần lưu trữ lạnh tế bào ở nhiệt độ -150°C hoặc thấp hơn?

Tủ đông -80°C có thể “đủ lạnh” với DNA hay protein, nhưng với tế bào sống dùng trong Cell Therapy, Biobank hay IVF thì ngưỡng nhiệt độ này lại không đủ để bảo toàn chức năng sống của tế bào về lâu dài. Bài viết giải thích vì sao cần lưu trữ lạnh tế bào ở âm 150°C hoặc thấp hơn và lý do các ngân hàng máu cuống rốn, trung tâm sản xuất tế bào GMP hay các ngân hàng sinh học trên thế giới đều đầu tư hệ thống Cryogenic Storage (lưu trữ lạnh sâu) bằng nitơ lỏng, đồng thời chia sẻ những yếu tố vận hành quyết định chất lượng mẫu trong suốt vòng đời lưu trữ.

Điều gì xảy ra bên trong tế bào khi bị đông lạnh?

Một tế bào sống không chỉ gồm nhân và màng tế bào. Bên trong chứa khoảng 70-80% nước, cùng protein, enzyme, DNA, RNA, lipid, bào quan và hệ thống màng nội bào.

Nếu quá trình làm lạnh không được kiểm soát đúng, nước trong và ngoài tế bào sẽ hình thành các tinh thể băng. Các tinh thể này có thể:

• Làm rách màng tế bào
• Phá hủy ty thể
• Làm biến dạng cấu trúc protein
• Gây tổn thương DNA
• Giảm khả năng sống sau rã đông

Vì vậy, cryopreservation không đơn thuần là “đông lạnh”, mà là kiểm soát toàn bộ quá trình làm lạnh để bảo vệ cấu trúc tế bào.

Xem thêm: Làm thế nào để đông lạnh và rã đông tế bào hiệu quả?

Lựa chọn nhiệt độ lưu trữ lâu dài có ý nghĩa quyết định

Nhiều người cho rằng sau khi tế bào được đông lạnh, mọi hoạt động sinh học đều dừng lại hoàn toàn — điều này không hoàn toàn chính xác. Nếu nhiệt độ lưu trữ chưa đủ thấp, enzyme vẫn có thể hoạt động rất chậm, phản ứng oxy hóa vẫn tiếp diễn, lipid màng vẫn có thể tái sắp xếp và protein vẫn có nguy cơ biến tính theo thời gian.

Mỗi phản ứng riêng lẻ diễn ra rất chậm, nhưng trong thời gian lưu trữ kéo dài nhiều năm, tác động tích lũy có thể ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng mẫu. Một nghiên cứu tổng hợp về best practice lưu trữ mẫu sinh học dài hạn ghi nhận các tủ đông ULT -80°C có thể gây suy giảm khả năng sống đo được ở tế bào PBMC chỉ trong vòng , trong khi lưu trữ pha hơi (vapor-phase) ở khoảng -150°C được khuyến nghị cho lưu trữ hàng thập kỷ (Unicorn Lif 3-12 tuần escience, tổng hợp theo ISBER Best Practices). Đây là lý do việc lựa chọn nhiệt độ lưu trữ lâu dài có ý nghĩa quyết định.

Glass Transition Temperature — “ranh giới” quan trọng của Cryogenic Storage

Glass Transition Temperature (Tg) là một khái niệm quan trọng nhất trong lưu trữ lạnh sâu. Khi môi trường chứa cryoprotectant (ví dụ DMSO) được làm lạnh xuống dưới Tg, dung dịch chuyển sang trạng thái giống thủy tinh (vitrified state). Ở trạng thái này, phân tử nước gần như không còn khả năng dịch chuyển, khuếch tán phân tử gần như dừng lại, phản ứng hóa học giảm xuống mức cực thấp, và cấu trúc tế bào được “khóa” tại thời điểm đông lạnh.

Nghiên cứu công bố trên Scientific Reports (2025) về ứng suất nhiệt trong dung dịch vitrification cho thấy Tg phụ thuộc mạnh vào thành phần hóa học của dung dịch cryoprotectant, với 4 công thức được khảo sát trải dài hơn 50°C — dung dịch 49% DMSO có Tg khoảng -131°C[HN1] , trong khi glycerol, xylitol và sucrose cho Tg cao hơn nhiều, từ -102°C đến -82°C (Scientific Reports, 2025). Điều này cho thấy Tg không phải một hằng số cố định mà thay đổi theo công thức dung dịch — càng củng cố lý do cần một khoảng đệm an toàn đủ lớn thay vì lưu trữ sát một mốc Tg giả định. Với dung dịch chứa DMSO cụ thể, một nghiên cứu đo bằng DSC trên tế bào T người ghi nhận điểm giữa của quá trình chuyển pha thủy tinh (glass transition) ở khoảng -123°C cho môi trường ngoại bào (PMC, nghiên cứu tế bào T miễn dịch người).

Vì sao trong Cell Therapy chọn mốc dưới -150°C?

Mặc dù Tg thường rơi vào khoảng -120°C đến -130°C (tùy thành phần dung dịch và điều kiện bảo quản), các hệ thống Cryogenic Storage trong thực tế thường vận hành dưới -150°C. Lý do đến từ nhiều yếu tố vận hành thực tế như tạo khoảng đệm an toàn (safety margin), giảm gần như hoàn toàn chuyển động phân tử và hạn chế hiện tượng tái kết tinh (recrystallization).

1. Tạo khoảng đệm an toàn (Safety Margin)

Không hệ thống nào duy trì đúng một nhiệt độ tuyệt đối tuyệt đối trong suốt vòng đời lưu trữ. Trên thực tế luôn tồn tại dao động nhiệt độ do mở nắp bình, thao tác lấy mẫu, bổ sung LN₂ hoặc vận chuyển mẫu. Nếu lưu trữ sát ngưỡng -130°C, chỉ một dao động nhỏ cũng có thể đưa mẫu vượt qua Tg. Ngược lại, ở dưới -150°C vẫn còn khoảng đệm đáng kể trước khi chạm ngưỡng chuyển pha.

Chúng tôi cũng ghi nhận nguyên tắc tương tự trong tài liệu kỹ thuật về tiêu chuẩn lưu trữ nitơ lỏng của ISO 20387 và ISBER Best Practices: mẫu sinh học nên được giữ dưới -135°C — ngưỡng Tg của nước trong tế bào — và lý tưởng trong khoảng -150°C đến -196°C để dừng hoàn toàn hoạt động sinh học

Xem thêm: Bình nitơ lỏng & phòng lưu trữ – Điều kiện đạt chuẩn quốc tế

2. Giảm gần như hoàn toàn chuyển động phân tử

Khi xuống dưới Tg đủ sâu, nước không còn khuếch tán đáng kể, enzyme gần như bất hoạt, lipid màng ổn định hơn và cấu trúc protein ít thay đổi hơn. Điều này đặc biệt quan trọng với các loại mẫu nhạy cảm như tế bào gốc, CAR-T, NK cell, iPSC hay phôi IVF

3. Hạn chế hiện tượng tái kết tinh (Recrystallization)

Một trong những rủi ro lớn nhất khi lưu trữ không đủ lạnh là hiện tượng các tinh thể băng nhỏ phát triển thành tinh thể lớn hơn theo thời gian hoặc qua các chu kỳ dao động nhiệt. Tinh thể lớn có thể làm tổn thương màng tế bào, phá hủy cấu trúc nội bào và giảm tỷ lệ sống sau rã đông. Lưu trữ dưới -150°C giúp giảm đáng kể nguy cơ này.

Tại sao -80°C không phù hợp cho lưu trữ dài hạn?

Tủ đông -80°C rất hữu ích trong nghiên cứu, phù hợp để lưu trữ DNA, RNA, protein, enzyme, vi khuẩn hoặc một số dòng tế bào trong thời gian ngắn/trung hạn. Tuy nhiên, đối với tế bào sống cần bảo tồn chức năng lâu dài, -80°C thường không được xem là nhiệt độ tối ưu: vẫn tồn tại chuyển động phân tử, phản ứng hóa học chưa dừng hoàn toàn, nguy cơ tái kết tinh cao hơn và khả năng suy giảm chất lượng tăng theo thời gian lưu trữ.

Đó là lý do các ngân hàng tế bào, cơ sở IVF và trung tâm Cell Therapy sử dụng Cryogenic Storage bằng nitơ lỏng thay vì chỉ dựa vào tủ đông -80°C — phù hợp với khuyến nghị chung của ISBER Best Practices, tiêu chuẩn ISO 20387 về biobanking và các hướng dẫn NIH/NCI về lưu trữ mẫu sinh học dài hạn (thiếu Source).

Các thiết bị lưu trữ đạt chứng nhận quốc tế — ví dụ dòng bình/tủ nitơ lỏng MVE Biological Solutions có đăng ký FDA — cũng là một tiêu chí đáng cân nhắc khi lựa chọn hệ thống cho ứng dụng GMP (tìm hiểu thêm về ý nghĩa chứng nhận FDA Registered với thiết bị lưu trữ lạnh sâu).

Tại sao nitơ lỏng trở thành tiêu chuẩn phổ biến nhất?

Nitơ lỏng có nhiệt độ khoảng -196°C ở áp suất khí quyển — thấp hơn Tg một khoảng lớn, ổn định, cho khả năng làm lạnh đồng đều và không phụ thuộc máy nén lạnh. Trong trường hợp mất điện, bình nitơ lỏng vẫn duy trì nhiệt độ trong thời gian đáng kể nếu được thiết kế và vận hành đúng — một ưu điểm quan trọng với các hệ thống lưu trữ dài hạn.

Lưu trữ pha lỏng hay pha hơi?

Xem thêm: Lưu pha hơi và lưu pha lỏng, lựa chọn nào phù hợp?

Những yếu tố khác quyết định thành công của Cryogenic Storage

Nhiệt độ chỉ là một phần của hệ thống. Một chương trình Cryogenic Storage hiệu quả cần đồng thời kiểm soát:

Quy trình đông lạnh có kiểm soát. Làm lạnh quá nhanh hoặc quá chậm đều có thể làm giảm chất lượng tế bào. Các chương trình cryopreservation thường sử dụng thiết bị kiểm soát tốc độ làm lạnh để tối ưu hóa quá trình.

Cryoprotectant phù hợp. Các chất như DMSO giúp giảm hình thành tinh thể băng, tăng tỷ lệ sống sau rã đông và hỗ trợ quá trình vitrification. Việc lựa chọn nồng độ và quy trình loại bỏ cryoprotectant sau rã đông cũng quan trọng không kém.

Hệ thống Cryogenic Storage ổn định. Cần đảm bảo độ chân không ổn định, mức tiêu hao LN₂ thấp, nhiệt độ đồng đều, khả năng phục hồi nhanh sau thao tác lấy mẫu và tuổi thọ vận hành dài.

Monitoring liên tục. Các thông số cần theo dõi gồm nhiệt độ, mức nitơ lỏng, trạng thái cảnh báo, nguồn điện của hệ thống giám sát, nồng độ oxy trong phòng và lịch sử sự kiện. ISBER Best Pratices khuyến nghị các biobank trang bị cảm biến oxy/cảnh báo khi lưu trữ bằng khí nén như nitơ lỏng hoặc CO₂ lỏng, do rủi ro thiếu oxy trong không gian kín (Biobanking.com, tổng hợp ISBER Best Practices). Bình lưu trữ MVE HE kết hợp CryoVerse Connect là giải pháp lưu trữ có kiểm soát liên tục, phát hiện sớm bất thường trước khi ảnh hưởng đến mẫu. Bình lưu trữ công bố nhiệt độ pha hơi −190°C ±5°C tại top box khi đã nạp rack, phù hợp với ứng dụng thực sự yêu cầu dưới −150°C. CryoVerse Connect hỗ trợ alarm/setpoint nhiệt độ, mức LN₂, trạng thái nguồn, event logging và phân quyền người dùng.

Với các cơ sở IVF, yêu cầu vận hành còn gắn thêm tiêu chuẩn chuyên ngành như HFEA — xem thêm tiêu chuẩn HFEA cho lưu trữ mẫu IVF bằng bình nitơ lỏng MVE để hiểu thêm yêu cầu riêng của lĩnh vực này.

Ý nghĩa đối với Cell Therapy, Biobank và IVF

Một mẫu được lưu trữ hôm nay có thể được sử dụng sau 5 năm, 10 năm, 20 năm hoặc lâu hơn. Trong khoảng thời gian đó, điều quan trọng nhất không phải là “mẫu còn được giữ trong bình”, mà là tỷ lệ sống sau rã đông, khả năng tăng sinh, chức năng sinh học, độ ổn định di truyền và khả năng đáp ứng mục đích nghiên cứu hoặc điều trị.

Do đó, Cryogenic Storage nên được nhìn nhận như một hệ thống quản lý chất lượng dài hạn, không chỉ là một thiết bị bảo quản đơn thuần.

Những sai lầm thường gặp

Nhiều đơn vị vẫn mắc phải các sai lầm sau:

• Cho rằng -80°C tương đương với Cryogenic Storage
• Chỉ quan tâm giá mua bình mà bỏ qua tổng chi phí sở hữu (TCO)
• Không theo dõi mức tiêu hao LN₂ để đánh giá tình trạng chân không
• Thiếu hệ thống cảnh báo và giám sát từ xa
• Không xây dựng SOP cho việc lấy mẫu, bổ sung LN₂ và xử lý sự cố
• Mở nắp bình quá lâu hoặc quá thường xuyên, làm tăng dao động nhiệt

Những yếu tố này có thể làm tăng rủi ro đối với chất lượng mẫu trong suốt vòng đời lưu trữ.

Câu hỏi thường gặp

Kết luận

Việc lưu trữ tế bào dưới -150°C không phải là một lựa chọn mang tính truyền thống hay quy ước ngành, mà dựa trên các nguyên lý khoa học về vật liệu, nhiệt động học và sinh học tế bào. Dưới ngưỡng này, môi trường cryopreservation đi vào trạng thái gần như “đóng băng động học”, nơi chuyển động phân tử và phản ứng hóa học bị hạn chế ở mức rất thấp, giúp bảo tồn cấu trúc và chức năng tế bào trong thời gian dài.

Đối với Cell Therapy, Gene Therapy, Biobank và IVF, chất lượng mẫu sau nhiều năm lưu trữ có thể ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả nghiên cứu, sản xuất hoặc điều trị. Đầu tư vào một hệ thống Cryogenic Storage vì vậy không chỉ là đầu tư vào thiết bị, mà còn là đầu tư vào độ tin cậy của toàn bộ chuỗi giá trị sinh học — từ quy trình đông lạnh, thiết bị lưu trữ, hệ thống giám sát, đến vận hành và quản lý rủi ro.

Xem thêm: Tiêu chuẩn quốc tế cho phòng/bình lưu trữ nitơ lỏng

Bạn đang xây dựng hoặc nâng cấp hệ thống Cryogenic Storage cho Cell Therapy, Biobank hoặc IVF
Biogroup Vietnam cung cấp giải pháp toàn diện từ tư vấn thiết kế, lựa chọn cấu hình lưu trữ pha hơi hoặc pha lỏng, hệ thống giám sát và cảnh báo, đào tạo vận hành, đến dịch vụ bảo trì định kỳ. Chúng tôi đồng hành cùng khách hàng trong việc xây dựng hạ tầng lưu trữ lạnh sâu an toàn, ổn định và phù hợp với các yêu cầu của nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng lâm sàng.

📩 Liên hệ Biogroup Vietnam để thực hiện Cryogenic Storage Health Check, đánh giá độ ổn định nhiệt và xây dựng hệ thống bảo vệ mẫu an toàn trong suốt vòng đời lưu trữ.

Website: https://biogroupvietnam.com/vi/lien-he/
Hotline: +84 963 621 421
Email: info@biogroupvietnam.com

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Biobanking.com. (2020). ISBER Best Practices for Biobanks. Truy cập từ biobanking.com/isber-best-practices-for-biobanks
2. International Organization for Standardization. (2018). ISO 20387:2018 — Biotechnology — Biobanking — General requirements for biobanking. Truy cập từ iso.org/standard/67888.html
3. International Society for Biological and Environmental Repositories (ISBER). Best Practices for Repositories, 5th Edition. Truy cập từ isber.org/page/BPR
4. Nghiên cứu đăng trên Scientific Reports (Nature). (2025). Higher glass transition temperatures reduce thermal stress cracking in aqueous solutions relevant to cryopreservation. Truy cập từ nature.com/articles/s41598-025-13295-7
5. Nghiên cứu đăng trên PMC (PubMed Central). Physical events occurring during the cryopreservation of immortalized human T cells. Truy cập từ pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6532914