冷凍保存是細胞生物學、生物技術和生殖醫(yī)學中的關鍵技術，可以實現(xiàn)活細胞和組織的長期存儲，應用于生育力保存、器官移植和再生醫(yī)學等領域1, 2, 3, 4, 5。盡管應用廣泛，但卵母細胞的冷凍保存成功率仍然較低6, 7, 8。由于卵母細胞體積較大且表面積與體積比低，在冷凍過程中它們特別容易受到滲透壓沖擊和細胞內(nèi)冰晶形成的影響，從而導致冷凍損傷、膜破裂和細胞活力喪失9, 10。因此，了解水和CPA跨卵母細胞膜的傳輸動態(tài)對于提高冷凍保存效果至關重要。傳統(tǒng)的冷凍保存方法（如緩慢冷凍和玻璃化）依賴于乙二醇（EG）和丙二醇（PG）等CPA來減輕冰晶形成和滲透壓應力11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18。這些方法需要精確控制冷卻速率、CPA濃度以及添加/去除CPA的時機以避免冷凍損傷。然而，它們并未完全解決水和CPA跨膜傳輸?shù)膹碗s動態(tài)問題，尤其是膜滲透性的變化以及溫度依賴性的滲透性變化，這些因素可能嚴重影響冷凍保存的成功率。

近年來，微流控技術作為一種在受控環(huán)境中研究細胞膜滲透性的有效工具而出現(xiàn)，與傳統(tǒng)方法相比，其變異性較低11, 19, 20。這些系統(tǒng)可以精確控制流體動力學和CPA梯度，但大多數(shù)用于冷凍保存研究的微流控平臺缺乏高通量能力，也沒有集成自動化圖像分析功能。此外，現(xiàn)有系統(tǒng)通常僅限于單細胞分析，無法同時研究多個卵母細胞，而考慮到卵母細胞提取后的短暫存活時間，這一點尤為重要。傳統(tǒng)的卵母細胞滲透性分析方法存在顯著的通量和精度限制，限制了其在冷凍保存研究中的實際應用。傳統(tǒng)的手動分析方法通常每個卵母細胞需要45-60分鐘，包括單獨處理細胞、在滲透體積變化過程中手動追蹤邊界以及計算參數(shù)。這一耗時的過程還受到操作者差異的影響，變異系數(shù)在15-25%之間，原因包括主觀的邊界識別、測量時間的不一致以及不同操作者和實驗室之間分析協(xié)議的不同。這些限制的累積效應嚴重限制了滲透性研究的規(guī)模和統(tǒng)計功效，通常使得研究人員每個實驗條件只能分析不到10-15個卵母細胞。這種樣本量限制，加上卵母細胞群體的固有生物變異性，影響了滲透性參數(shù)確定的統(tǒng)計穩(wěn)健性，阻礙了優(yōu)化冷凍保存方案的開發(fā)。相比之下，CryoSIM通過全面自動化解決了這些根本性問題。該平臺將分析時間縮短至每個卵母細胞不到5分鐘，同時可以處理8個細胞，通過標準化的圖像分析算法實現(xiàn)了低于3%的變異系數(shù)。這代表了分析通量提高了90%以上，并顯著提高了可重復性，使得使用傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的較大樣本量的滲透性研究成為可能。

CryoSIM平臺整合了幾項關鍵創(chuàng)新：具有增強混合和捕獲功能的微流控芯片，包括Y形通道、之字形路徑和拋物線形微柱陣列，有助于溫和、集中地捕獲卵母細胞。芯片采用了冷卻劑耦合的玻璃基底，實現(xiàn)了穩(wěn)定的溫度控制。我們還開發(fā)了MLSNet，這是一種專為明場卵母細胞分割設計的深度學習模型，能夠快速準確地估計體積。此外，基于Python的圖形用戶界面集成了成熟的生物物理模型，可以從時間序列圖像數(shù)據(jù)中自動計算滲透系數(shù)（Lp, Ps），支持在多種CPA條件下的高通量、微創(chuàng)分析。

通過將這些組件整合到一個自動化平臺上，CryoSIM徹底改變了卵母細胞冷凍保存研究的方式。它提供了無與倫比的通量、精確的溫度控制以及從圖像采集到滲透性建模的端到端數(shù)據(jù)處理，同時將人為錯誤降至最低。這種集成方法為推進生殖生物學、生育力保存方案和更廣泛的生物材料應用中的冷凍保存研究提供了可擴展且穩(wěn)健的工具。總之，它代表了一個結合了微流控技術、基于AI的圖像處理和計算建模的新系統(tǒng)，用于研究卵母細胞中的膜傳輸動態(tài)。通過自動化冷凍保存分析過程，該平臺為優(yōu)化生育力保存方案提供了可擴展的高通量解決方案，與傳統(tǒng)方法相比，提供了更精確、更可重復的結果。