臺灣防疫政策奏效，我們彷彿與其他國家生活在平行時空，實際上，全球 COVID-19 新型冠狀病毒肺炎疫情仍未平息，為了防止疫情持續擴大，仍有許多國家採取隔離、居家上班及邊境管制措施，希望能降低病毒的傳播，這也影響了人們的工作和日常生活。前幾個月疫情較嚴重時，國外有些實驗動物設施便因為居家上班政策，現場沒有人力可以照護動物，設施暫時性關閉，使用者面臨必須另外安置、保種實驗動物的緊急狀況。
有備無患 – 實驗鼠種原庫
參與研究的實驗鼠必須具備明確的遺傳背景，無論是具有特殊表現型的疾病動物模式，或是基因改造鼠，通常是經過長時間育種而來的。在育種過程中，篩選出具有特定條件的後代，透過策略性的繁殖飼育，延續這些特殊表型的實驗鼠品系。但隨著動物模式和品系的增加，飼養空間不足、基因漂變的問題逐漸浮現，再加上無法預知、防不勝防的種種意外因素，的確需要超前部署來預防斷種危機。
國家實驗鼠種原庫的概念就像是一艘實驗鼠諾亞方舟，不過為了克服動物老化問題，並發揮有限空間的最大效益，種原庫保存的並非活體動物，而是運用冷凍保存技術，將實驗鼠胚或精子，保存在 -196℃ 液態氮中，按下生命的暫停鍵，保存特殊品系的種原，延續牠們繁衍下一代的機會。種原庫自2009年成立至今，目前這艘方舟上，已經保存實驗鼠精子 760 品系，胚1,977 品系共計17,364凍管，超過66萬顆鼠胚。考量到單一地點儲存的風險，更在不同地點、不同城市建置種原分庫，建立異地備援機制，確保珍貴的實驗動物資源能夠永續供應。
聽起來，好像就是把東西冰進冷凍庫那般樸實無華，如果你有這樣的念頭閃過，那可就小看了冷凍保存技術這門學問。
▲ 國家實驗鼠種原庫保存了珍貴的實驗鼠資源（左），冷凍保存在細胞凍管中的胚（中）和麥管中的精子（右），透過冷凍保種、解凍復育，讓實驗鼠資源能夠永續供應。（圖片來源：國研院動物中心）
凍結時間的藝術 – 冷凍保存技術
冷凍保存技術其實在日常生活中隨處可見，像是我們用冰箱保存食物、殯儀館以冷凍櫃冰存遺體、冰封美國隊長（誤）等，基本概念就是以低溫避免或減緩生化反應，期望能將物體保持在當時的狀態不要腐壞。而冷凍保存實驗動物的終極目標，則是和人類凍卵、保存臍帶血一樣，在需要的時候，要能夠取消暫停鍵，恢復細胞原有的狀態和功能，讓生命時鐘繼續往前推進，所以冷凍保存技術最重要的關鍵，就是預防冰晶對細胞的傷害。
冰晶是水在降溫過程中形成的結晶體，細胞中富含水分，冰晶形成時，可能會戳破細胞膜、破壞細胞結構，導致解凍後細胞功能異常或死亡。很多人會說溫體肉的嚼感比冷凍肉好，如果你也有這樣的感覺，那你可能充分感受過冰晶對細胞的傷害－細胞結構坍塌、水分流失（註）。為確保細胞在解凍後能夠順利存活，冷凍職人必須想辦法避免冰晶對細胞的傷害，不同的降溫程序搭配相符的冷凍保護劑（或稱為抗凍劑）就是非常關鍵的步驟。
慢速冷凍（Slow freezing）是透過程式降溫儀協助溫度控制，漸進式梯度降溫（0.1 ~ 0.3℃/分鐘），搭配低濃度冷凍保護劑，把細胞內的水分置換出來，讓細胞盡量可以完全脫水。當程式降溫至 -7℃ 時，冷凍職人會執行一個非常重要的步驟－人工植冰（Seeding），以液態氮浸潤的金屬勺接近冷凍保護劑的表面，瞬間低溫觸發細胞外的溶液凍結，細胞內沒有水分、不會有冰晶形成。
▲ 人工植冰是慢速冷凍中關鍵的步驟，透過瞬間低溫觸發細胞外冰晶形成，細胞內水分大多已被小分子抗凍劑置換，且持續往胞外移動，保護細胞內不受冰晶形成而受傷害。（圖片來源：國研院動物中心）
玻璃化冷凍（Vitrification）則是利用高濃度冷凍保護劑，在細胞外形成高張環境，將水快速從細胞抽離，再利用急速降溫（500 ~ 2000℃/分鐘），使細胞內外的液體變成玻璃化（液態變成光滑澄澈玻璃一般的固態），因為降溫速度很快，到達保存溫度時冰晶還來不及形成，對細胞就不會造成傷害。然而，高濃度冷凍保護劑對細胞的毒性較大，必須盡量縮短操作時間，冷凍保護劑的體積愈小愈好，也因此需要熟練的操作技術才能完美駕馭。
▲ 胚（圓形）和冰晶（白色六角形）在慢速冷凍（Slow freezing，左）和玻璃化冷凍（Vitrification，右）過程中，各階段的狀態圖示。慢速冷凍使細胞完全脫水，冰晶不會在細胞內形成；玻璃化冷凍則是透過急速冷凍，保持在沒有結晶體產生的玻璃態，藉此保護細胞不受冰晶傷害。（圖片來源：Cryopreservation of embryos by vitrification, M Kasai & T Mukaid, RBM Online, Vol 9. No.2, 2004）
當明天過後 – 災後重建與復育
冷凍凍得好和解凍解得巧，必須配合地天衣無縫，才能達到重啟生命的最終目標。冷凍職人不僅要在冷凍保存時想辦法將水請出細胞，解凍時，細胞必須盡快脫離具有細胞毒性的冷凍保護劑，讓水分再回到細胞裡，回復正常生理狀態的滲透壓，順利喚醒受精卵或精子，讓牠們繼續接下來的生命旅程－精子與卵相遇、受精、發育成胚胎，將胚胎移植回母鼠體內後，復育新生命。
今年，國家實驗動物中心考量到COVID-19 新型冠狀病毒肺炎疫情的不確定性，為了協助國內實驗動物使用者降低風險，之前便緊急啟動「方舟服務專案」，除了既有的國家實驗鼠種原庫冷凍保種機制，更增加活體代養的保種機制，讓珍貴的實驗動物一起搭上方舟，共同航向疫情平息後的未來。
註：冷凍肉並非口感就一定不好，並不是所有冷凍方式都會造成大體積的冰晶形成、破壞口感，有興趣的話可以搜尋〝肉品急速冷凍〞，看看相關的文章。
