Về lâu dài, các tủ đông sâu cơ học lưu trữ ở nhiệt độ -80°C sẽ không chiếm ưu thế so với các bình lưu trữ sinh học làm mát bằng nitơ lỏng -196°C.

Vai trò của nitơ lỏng trong bảo quản đông lạnh

Bảo quản mẫu bằng phương pháp đông lạnh là một phương pháp được sử dụng để ngăn chặn sự phân hủy của vật liệu sinh học. Dưới -135℃, tất cả chức năng sinh học dừng lại, nghĩa là tế bào và các mẫu khác có thể duy trì ở trạng thái hiện tại trong thời gian dài.

Nitơ lỏng tồn tại tự nhiên ở nhiệt độ đông lạnh, với điểm sôi là -195,8℃ và điểm đóng băng là -210℃. Phạm vi nhiệt độ cực thấp, độc đáo của nitơ lỏng khiến nó trở nên thiết yếu đối với nghiên cứu tế bào và bảo tồn sinh học.

Nitơ lỏng có thể được sử dụng để lưu trữ nhiều loại vật liệu hữu cơ, chẳng hạn như tế bào, mô và mẫu di truyền. Do hiệu quả trong việc làm đông lạnh mẫu nhanh chóng, nitơ lỏng cho phép các nhà khoa học lưu trữ mẫu lâu dài và giảm thiểu sự phân hủy của mẫu.

Sự khác biệt giữa bình lưu trữ nitơ lỏng và tủ đông sâu cơ học

Các phòng thí nghiệm và ngân hàng sinh học có hai lựa chọn để lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp: Nitơ lỏng (ở thể lỏng hoặc pha hơi) hoặc bảo quản lạnh cơ học ở dạng tủ đông nhiệt độ cực thấp (ULT). Cả hai tùy chọn đều là phương pháp lưu trữ mẫu sinh học hiệu quả và lựa chọn tốt nhất sẽ tùy thuộc vào nhu cầu và yêu cầu của bạn.

Lưu trữ

Tủ đông sâu cực thấp cơ học thường được làm lạnh bởi máy nén hoặc động cơ và có nhiều kích cỡ khác nhau. Kích thước của tủ đông sẽ được xác định bởi khả năng lưu trữ và không gian có sẵn trong cơ sở của bạn.

Tủ đông ULT thẳng đứng, thường cho phép lưu trữ nhiều nhất mà không chiếm nhiều diện tích sàn. Tủ đông ULT hoạt động tốt nhất khi không khí lạnh bên trong không bị gián đoạn và không gian lưu trữ được tối đa hóa. Vật liệu mẫu phải được sắp xếp hợp lý để dễ lấy và đảm bảo cửa vẫn mở trong thời gian ngắn nhất có thể.

Bình nitơ lỏng có thể được sử dụng ở cả pha lỏng và pha hơi để lưu trữ các mẫu sinh học. Ở dạng lỏng, các mẫu được nhúng trực tiếp vào nitơ lỏng. Những tiến bộ trong công nghệ đã cho phép bình nitơ lỏng ở pha hơi nơi các mẫu được lưu trữ bên trên nitơ lỏng thay vì trực tiếp trong đó.

Phương pháp ưa thích để lưu trữ lâu dài có xu hướng lưu trữ ở pha lỏng. Tuy nhiên, bình nitơ lưu trữ ở pha hơi tiện lợi hơn nhiều. Nhiều bình nitơ lưu trữ ở pha hơi có nắp có thể mở ở phía trên và bàn xoay cho phép tiếp cận giá đựng mẫu có liên quan.

Tủ đông cơ học thường được các nhà nghiên cứu dùng ưa thích, vì yêu cầu tiếp cận mẫu thường xuyên, trong khi bình nitơ lỏng được ưa thích bởi những người cần giải pháp lưu trữ lâu hơn.

Kiểm soát nhiệt độ

Sự khác biệt lớn nhất giữa tủ đông ULT cơ học và tủ đông nitơ lỏng là phạm vi nhiệt độ. Tủ đông ULT cơ học sử dụng chất làm lạnh và có dải nhiệt độ từ -50℃ đến -80℃. Chúng cung cấp nhiệt độ từ trên xuống dưới đồng đều trong toàn bộ buồng bảo quản và không bị dao động nhiệt độ.

Bình nitơ lỏng ở pha hơi có thể lưu trữ các mẫu ở nhiệt độ thấp tới -150℃. Trong bình nitơ lỏng ở pha hơi, nitơ lỏng thường được dẫn vào phần dưới của bình và hơi được sử dụng để làm mát các giá đỡ phía trên. Điều này có thể dẫn đến chênh lệch nhiệt độ trong thiết bị có khả năng gây ra sự phân hủy của mẫu sinh học.

Một số kho lưu trữ sinh học sẽ tận dụng cả tủ đông cơ học và tủ đông nitơ lỏng vì các mẫu đông lạnh quá nhanh có thể làm hỏng chúng. Tủ đông cơ học có thể được sử dụng để giảm dần nhiệt độ của các mẫu trước khi chúng được đặt trong kho lưu trữ nitơ lỏng dài hạn.

Nên lựa chọn bình lưu trữ nitơ lỏng hay tủ đông sâu cơ học (‑80°C)

Hiện nay, các quy trình lưu trữ mẫu trên toàn thế giới tại các ngân hàng sinh học, cho thấy lưu trữ nitơ lỏng là một phương pháp vượt trội hơn nhiều so với tủ đông cơ học -80°C (dùng điện). Ngoài ra, xét về nhận thức môi trường toàn cầu, về lâu dài, các công nghệ liên quan đến nitơ lỏng là tiết kiệm tài nguyên. Về lâu dài, các hệ thống tủ đông sâu cơ học lưu trữ ở nhiệt độ -80°C sẽ không chiếm ưu thế so với các bình lưu trữ sinh học làm mát bằng nitơ lỏng -196°C.

Lý do tại sao nhiệt độ bảo quản dưới -196°C lại cực kỳ quan trọng đối với chất lượng mẫu và công nghệ nào được khuyến nghị, cũng như đối với số lượng mẫu cao.

Nhiều bài báo khoa học kết luận rằng nhiệt độ -80°C là đủ để lưu trữ các loại mẫu sinh học khác nhau ngay cả khi lưu trữ trong thời gian dài. Tôi tự hỏi tại sao? Không có bác sĩ thú y nào sẽ lưu trữ các mẫu của mình ở nhiệt độ “cao” này. Bác sĩ sản khoa cũng không bảo quản trứng IVF của bệnh nhân ở -80°C. Cuối cùng, những mẫu quý giá này phải tồn tại trong thời gian lưu trữ, trong phần lớn các trường hợp có thể là nhiều năm hoặc nhiều thập kỷ, và rõ ràng là chúng không tồn tại.

Chi phí triển khai và vận hành tủ đông sâu cơ học cao hơn so với bình lưu trữ nitơ lỏng. Khi tủ đông sâu cơ học bị lỗi/ hỏng, có nhiều khả năng dẫn đến hậu quả nghiêm trọng đối với tính toàn vẹn của mẫu.

Giữ các mẫu ở tủ đông sâu cơ học  ở nhiệt độ -80°C có rẻ hơn thay vì làm lạnh chúng xuống nhiệt độ thấp hơn trong bình nitơ lỏng không? Không phải vậy, bởi vì chi phí năng lượng cao hơn đối với tủ đông chạy bằng điện bảo quản ở -80°C so với bình nitơ lỏng có kích thước tương tự.

Nếu bạn đang xem xét chi phí năng lượng của tủ đông chạy bằng điện, bạn cũng phải tính đến chi phí loại bỏ nhiệt do hệ thống nén hơi hai giai đoạn tạo ra. Do phải sử dụng hệ thông điều hòa nhiệt độ và thông khí.

Thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc là một lý do khác để sử dụng các bình nitơ lỏng thay vì tủ đông sâu cơ học để lưu trữ các mẫu sinh học. Sau nhiều năm kinh nghiệm của các hãng sản xuất, lớp cách nhiệt chân không của bình thép không gỉ chắc chắn hiếm khi bị hỏng, trong khi tủ đông sâu cơ học tăng nhiệt lên trong vòng vài giờ sau khi mất điện hoặc hỏng máy nén.

Đối với chất lượng mẫu, yếu tố quan trọng nhất là xem xét quá trình đông lạnh và hạ nhiệt độ của vật liệu sinh học của bạn. Sau khi các mẫu của bạn được đông lạnh, mọi thứ sẽ trở nên dễ dàng hơn. Khi bạn đã đạt đến nhiệt độ bảo quản mong muốn, có đủ bằng chứng cho thấy nhiệt độ bảo quản nitơ lỏng mang lại kết quả bảo quản lạnh tốt nhất.

Các loại mẫu cần lưu trữ đông sâu -150^oC?

Bình trữ mẫu đông sâu sử dụng nitơ lỏng để đông lạnh vật liệu sinh học ở nhiệt độ cực lạnh. Mặc dù chúng được gọi là bình trữ mẫu đông sâu -150^oC nhưng nhiệt độ thực sự của chúng đạt gần tới -200^oC. Khi các tế bào sống được bảo quản ở nhiệt độ cực thấp như vậy, chúng sẽ ngủ chứ không chết. Nhiều thập kỷ hoặc thậm chí nhiều thế kỷ sau, các tế bào đông lạnh có thể được rã đông một cách an toàn mà không làm giảm sự sống hoặc phân hủy DNA do lưu trữ lâu dài.

So với các phương pháp bảo quản lạnh khác, bình trữ mẫu đông sâu cung cấp môi trường đông lạnh ổn định nhất bằng cách sử dụng nhiệt độ cực thấp. Tủ đông sâu cơ học không có khả năng duy trì nhiệt độ dưới -135^oC.

Bảng 1: Khuyến nghị nhiệt độ tối đa để bảo quản các mẫu sinh học (MVE Biological Solutions, Mỹ).

Bình nitơ lỏng được dùng lưu mẫu sinh học ở các lĩnh vực:

• Sản xuất dược phẩm sinh học, bao gồm các liệu pháp tế bào và gen.
• Lưu trữ máu cuống rốn, tủy xương, tế bào gốc, van tim và mô của người.
• Vắc-xin.
• Các trung tâm, lab nghiên cứu y học, công nghệ sinh học.
• Các trung tâm y tế dự phòng và trung tâm huyết học.
• Trung tâm hỗ trợ sinh sản.
• Các Bệnh viện.
• Các cơ sở sản xuất giống vật nuôi.

Tài liệu tham khảo:

1. Biolife Solutions. https://www.biolifesolutions.com/blog/ult-storage/liquid-nitrogen-for-storage/
2. MVE Biological Solutions. https://mvebio.com/wp-content/uploads/2023/05/ML-000011_MVE-Cryopreservation-Catalog.pdf