Криобиология - Cryobiology

Криобиология - это раздел биологии , изучающий влияние низких температур на живые существа в криосфере Земли или в науке. Слово криобиология происходит от греческих слов κρῧος [kryos], «холод», βίος [bios], «жизнь» и λόγος [logos], «слово» (отсюда наука). На практике криобиология - это исследование биологического материала или систем при температурах ниже нормы. Изученные материалы или системы могут включать белки , клетки , ткани , органы или целые организмы . Температуры могут варьироваться от умеренно гипотермических до криогенных .

Направления обучения

Можно выделить по крайней мере шесть основных областей криобиологии: 1) изучение адаптации к холоду микроорганизмов , растений ( морозостойкость ) и животных, как беспозвоночных, так и позвоночных (включая гибернацию ), 2) криоконсервация клеток, тканей, гамет и эмбрионы животного и человеческого происхождения для (медицинских) целей длительного хранения путем охлаждения до температуры ниже точки замерзания воды. Обычно для этого требуется добавление веществ, которые защищают клетки во время замораживания и оттаивания ( криопротекторы ), 3) сохранение органов в гипотермических условиях для трансплантации , 4) лиофилизация ( сублимационная сушка ) фармацевтических препаратов , 5) криохирургия , (минимально) инвазивная подход к разрушению нездоровой ткани с использованием криогенных газов / жидкостей и 6) физика переохлаждения , зарождения / роста льда и аспекты механической инженерии теплопередачи во время охлаждения и нагревания применительно к биологическим системам. Криобиология будет включать крионику , низкотемпературное сохранение людей и млекопитающих с целью возрождения в будущем, хотя это не является частью основной криобиологии, в значительной степени зависящей от спекулятивных технологий, которые еще предстоит изобрести. Некоторые из этих областей исследования опираются на криогенику , раздел физики и техники , изучающий производство и использование очень низких температур .

Криоконсервация в природе

Многие живые организмы способны выдерживать длительные периоды времени при температурах ниже точки замерзания воды. Большинство живых организмов накапливают криопротекторы, такие как антинуклеарные белки , полиолы и глюкозу, чтобы защитить себя от повреждений от мороза острыми кристаллами льда. В частности, большинство растений могут безопасно нагреваться до температуры от -4 ° C до -12 ° C.

Бактерии

По сообщениям, три вида бактерий, Carnobacterium pleistocenium , Chryseobacterium greenlandensis и Herminiimonas glaciei , возродились после тысячелетнего выживания в замороженном состоянии. Некоторые бактерии, особенно Pseudomonas syringae , производят специализированные белки, которые служат мощными зародышеобразователями льда, которые они используют для образования льда на поверхности различных фруктов и растений при температуре около -2 ° C. Замораживание вызывает повреждение эпителия и делает питательные вещества в нижележащих растительных тканях доступными для бактерий. Листерия медленно растет при температуре до -1,5 ° C и некоторое время сохраняется в замороженных продуктах.

Растения

Многие растения проходят процесс, называемый закаливанием, который позволяет им выдерживать температуры ниже 0 ° C от недель до месяцев.

Животные

Беспозвоночные

Нематоды, которые выживают при температуре ниже 0 ° C, включают Trichostrongylus colubriformis и Panagrolaimus davidi . Нимфы тараканов ( Periplaneta japonica ) переживают короткие периоды замораживания при температуре от -6 до -8 ° C. Красный плоский короед ( Cucujus clavipes ) может выжить после замораживания до -150 ° C. Гриба комара Exechia nugatoria может выжить после замораживания до -50 ° C, с помощью уникального механизма , согласно которому кристаллы льда образуют в организме , но не головы. Еще один морозостойкий жук - Upis ceramboides . См. Зимнюю экологию насекомых и протеин антифриза . Еще одно беспозвоночное, кратковременно устойчивое к температурам до -273 ° C, - тихоходка .

Личинки Haemonchus contortus , в нематод , может выжить 44 недель заморожены при температуре -196 ° C.

Позвоночные

У лесной лягушки ( Rana sylvatica ) зимой до 45% ее тела может замерзнуть и превратиться в лед. «Кристаллы льда образуются под кожей и рассредоточиваются среди скелетных мышц тела. Во время замораживания дыхание лягушки, кровоток и сердцебиение прекращаются. Замораживание становится возможным благодаря специализированным белкам и глюкозе, которые предотвращают внутриклеточное замерзание и обезвоживание». Древесная лягушка может выжить до 11 дней, замороженных при -4 ° C.

Другие позвоночные животные, которые выживают при температуре тела ниже 0 ° C, включают окрашенных черепах ( Chrysemys picta ), серых древесных лягушек ( Hyla versicolor ), коробчатых черепах ( Terrapene carolina - 48 часов при -2 ° C), весеннего пера ( Pseudacris crucifer ), подвязки змеи ( Thamnophis sirtalis - 24 часа при -1,5 ° C), хоровая лягушка ( Pseudacris triseriata ), сибирская саламандра ( Salamandrella keyserlingii - 24 часа при -15,3 ° C), европейская обыкновенная ящерица ( Lacerta vivipara ) и антарктические рыбы, такие как Pagothenia борчгревинки . Клонированные из таких рыб антифризы были использованы для придания морозостойкости трансгенным растениям.

Спящие арктические суслики могут иметь температуру брюшной полости до -2,9 ° C (26,8 ° F), поддерживая отрицательную температуру брюшной полости более трех недель за раз, хотя температура на голове и шее остается на уровне 0 ° C или выше.

Прикладная криобиология

Историческое прошлое

Бойл

История криобиологии восходит к глубокой древности. Еще в 2500 году до нашей эры низкие температуры использовались в Египте в медицине. Гиппократ рекомендовал применять холод, чтобы остановить кровотечение и опухоль. С появлением современной науки Роберт Бойль изучал влияние низких температур на животных.

В 1949 году группа ученых под руководством Кристофера Польджа впервые подвергла криоконсервации сперму быков . Это привело к гораздо более широкому использованию криоконсервации сегодня, когда многие органы , ткани и клетки обычно хранятся при низких температурах . Большие органы, такие как сердце , обычно хранятся и транспортируются только на короткое время при прохладных, но не отрицательных температурах для трансплантации . Суспензии клеток (например, кровь и сперма) и срезы тонких тканей иногда можно хранить почти неограниченное время при температуре жидкого азота ( криоконсервация ). Человеческие сперматозоиды, яйцеклетки и эмбрионы обычно хранятся в исследованиях и методах лечения фертильности . Контролируемая скорость и медленное замораживание - это хорошо зарекомендовавшие себя методы, впервые использованные в начале 1970-х годов, которые позволили осуществить замороженное рождение первого человеческого эмбриона (Зои Лейланд) в 1984 году. С тех пор использовались машины, замораживающие биологические образцы с использованием программируемых шагов или контролируемых скоростей. во всем мире для человека, животных и клеточной биологии - «замораживание» образца, чтобы лучше сохранить его для последующего размораживания, прежде чем он будет глубоко заморожен или заморожен в жидком азоте. Такие машины используются для замораживания ооцитов, кожи, продуктов крови, эмбрионов, спермы, стволовых клеток и общего сохранения тканей в больницах, ветеринарных клиниках и исследовательских лабораториях. Число живорождений от «медленно замороженных» эмбрионов составляет от 300 000 до 400 000, или 20% от оценочных 3 миллионов рождений, рожденных с помощью экстракорпорального оплодотворения . Доктор Кристофер Чен из Австралии сообщил о первой в мире беременности с использованием медленно замороженных ооцитов из британского морозильника с регулируемой скоростью в 1986 году.

Криохирургия (преднамеренное и контролируемое разрушение тканей за счет образования льда) была проведена Джеймсом Арноттом в 1845 году во время операции на больном раком. Криохирургия встречается нечасто.


Техники консервации

Криобиология как прикладная наука в первую очередь занимается низкотемпературной консервацией. Гипотермическое хранение обычно составляет выше 0 ° C, но ниже нормотермических (от 32 ° C до 37 ° C) температур млекопитающих. С другой стороны, хранение путем криоконсервации будет в диапазоне температур от -80 до -196 ° C. Органы и ткани чаще являются объектами гипотермического хранения, в то время как единичные клетки являются наиболее распространенными объектами, которые подвергаются криоконсервации.

Практическое правило при гипотермическом хранении заключается в том, что каждые 10 ° C понижение температуры сопровождается снижением потребления кислорода на 50% . Хотя животные, находящиеся в спячке , адаптировали механизмы, позволяющие избежать метаболического дисбаланса, связанного с переохлаждением, переохлаждение органов и тканей, поддерживаемых для трансплантации, требует специальных консервирующих растворов для борьбы с ацидозом , снижающим активность натриевого насоса . и повышенный внутриклеточный кальций . Для этой цели были разработаны специальные растворы для сохранения органов, такие как Viaspan (раствор Университета Висконсина), HTK и Celsior. Эти растворы также содержат ингредиенты, которые минимизируют повреждение свободными радикалами , предотвращают отек , компенсируют потерю АТФ и т. Д.

Криоконсервация клеток руководствуется «двухфакторной гипотезой» американского криобиолога Питера Мазура , которая утверждает, что чрезмерно быстрое охлаждение убивает клетки за счет образования внутриклеточного льда, а чрезмерно медленное охлаждение убивает клетки либо из-за токсичности электролита, либо из-за механического дробления. Во время медленного охлаждения лед образуется внеклеточно, заставляя воду осмотически покидать клетки, тем самым обезвоживая их. Внутриклеточный лед может быть гораздо более разрушительным, чем внеклеточный.

Для эритроцитов оптимальная скорость охлаждения очень высокая (около 100 ° C в секунду), тогда как для стволовых клеток оптимальная скорость охлаждения очень низкая (1 ° C в минуту). Криопротекторы, такие как диметилсульфоксид и глицерин , используются для защиты клеток от замерзания. Различные типы клеток защищены 10% -ным диметилсульфоксидом. Криобиологи пытаются оптимизировать концентрацию криопротекторов (сводя к минимуму образование льда и токсичность) и скорость охлаждения. Элементы можно охладить с оптимальной скоростью до температуры от -30 до -40 ° C перед погружением в жидкий азот.

Методы медленного охлаждения основаны на том факте, что клетки содержат мало зародышеобразователей , но содержат естественные витрифицирующие вещества, которые могут предотвратить образование льда в умеренно обезвоженных клетках. Некоторые криобиологи ищут смеси криопротекторов для полной витрификации (без образования льда) для сохранения клеток, тканей и органов. Методы витрификации ставят задачу поиска смесей криопротекторов, которые могут минимизировать токсичность.

В людях

Человеческие гаметы и двух-, четырех- и восьмиклеточные эмбрионы могут выдерживать криоконсервацию при -196 ° C в течение 10 лет в строго контролируемых лабораторных условиях.

Криоконсервация у людей в отношении бесплодия включает сохранение эмбрионов, сперматозоидов или ооцитов путем замораживания. Зачатие in vitro предпринимается, когда сперму размораживают и вводят в «свежие» яйцеклетки, замороженные яйцеклетки размораживают, сперму помещают вместе с яйцеклетками, и вместе они помещают обратно в матку или замороженный эмбрион вводят в матку. матка. Витрификация имеет недостатки и не так надежна и не доказана, как замораживание оплодотворенной спермы, яйцеклеток или эмбрионов, как традиционные методы медленного замораживания, потому что сами по себе яйца чрезвычайно чувствительны к температуре. Многие исследователи также замораживают ткань яичника вместе с яйцами в надежде, что ткань яичника можно будет трансплантировать обратно в матку, стимулируя нормальные циклы овуляции. В 2004 году Доннез из Лувена в Бельгии сообщил о первом успешном рождении яичника из замороженной ткани яичника. В 1997 году образцы коры яичников были взяты у женщины с лимфомой Ходжкина и заморожены в морозильной камере с контролируемой скоростью (Planer, Великобритания), а затем сохранены в жидком азоте. Химиотерапия была начата после преждевременной недостаточности яичников. В 2003 году после замораживания-оттаивания была проведена ортотопическая аутотрансплантация кортикальной ткани яичников с помощью лапароскопии, и через пять месяцев признаки реимплантации свидетельствовали о восстановлении регулярных овуляторных циклов. Через одиннадцать месяцев после реимплантации подтвердилась жизнеспособная внутриутробная беременность, в результате которой родились первые живые роды - девочка по имени Тамара.

Терапевтическая гипотермия , например, во время операции на сердце на «холодном» сердце (вызванном перфузией холода без образования льда) позволяет проводить гораздо более длительные операции и улучшает показатели выздоровления пациентов.

Научные общества

Общество криобиологии было основано в 1964 году , чтобы объединить те из биологических, медицинских и физических наук , которые имеют общий интерес к воздействию низких температур на биологических системах. По состоянию на 2007 год в Общество криобиологии входило около 280 членов со всего мира, половина из которых базируется в США. Целью Общества является содействие научным исследованиям в области биологии низких температур, улучшение научного понимания в этой области, а также распространение и применение этих знаний на благо человечества. Общество требует от всех своих членов высочайших этических и научных стандартов при выполнении своей профессиональной деятельности. Согласно уставу Общества , в членстве может быть отказано заявителям, поведение которых считается наносящим ущерб Обществу; в 1982 году в устав были внесены поправки, прямо исключающие «любую практику или применение замораживания умерших в ожидании их реанимации», несмотря на возражения некоторых членов, которые были крионистами, такими как Джерри Лиф . Общество организует ежегодные научные собрания, посвященные всем аспектам низкотемпературной биологии. Эта международная встреча предлагает возможности для презентации и обсуждения самых последних исследований в области криобиологии, а также для рассмотрения конкретных аспектов посредством симпозиумов и семинаров. Члены также получают информацию о новостях и предстоящих встречах через информационный бюллетень Общества News Notes . Президентом Общества криобиологии в 2011–2012 годах был Джон Х. Кроу.

Общество низкотемпературной биологии было основано в 1964 году и стало зарегистрированной благотворительной организацией в 2003 году с целью содействия исследованиям воздействия низких температур на все типы организмов и составляющие их клетки, ткани и органы. По состоянию на 2006 год в обществе было около 130 членов (в основном из Великобритании и Европы), и оно проводило как минимум одно ежегодное общее собрание. Программа обычно включает в себя как симпозиум по актуальной теме, так и сеанс бесплатного общения по любому аспекту низкотемпературной биологии. Недавние симпозиумы включали долгосрочную стабильность, сохранение водных организмов, криоконсервацию эмбрионов и гамет , консервацию растений, низкотемпературную микроскопию , стеклование (стеклование водных систем во время охлаждения), сублимационную сушку и банки тканей . Члены информируются через информационный бюллетень общества, который в настоящее время издается три раза в год.

Журналы

Криобиология (издатель: Elsevier ) является ведущим научным изданием в этой области, ежегодно публикуется около 60 рецензируемых статей. Статьи касаются любых аспектов низкотемпературной биологии и медицины (например, замораживание, сушка вымораживанием , гибернация, переносимость холода и адаптация, криопротекторы, медицинские применения пониженной температуры, криохирургия, гипотермия и перфузия органов).

Cryo Letters - это независимый британский журнал по быстрым коммуникациям, который публикует статьи о влиянии низких температур на широкий спектр биофизических и биологических процессов, а также исследования с использованием низкотемпературных методов в исследовании биологических и экологических тем.

Биоконсервация и биобанкинг (ранее Cell Preservation Technology) - это рецензируемый ежеквартальный научный журнал, публикуемый Mary Ann Liebert, Inc., посвященный разнообразному спектру технологий консервации, включая криоконсервацию , сухое состояние ( ангидробиоз ), а также поддержание в стеклянном и гипотермическом состоянии. . Cell Preservation Technology была переименована в Biopreservation and Biobanking и является официальным журналом Международного общества биологических и экологических хранилищ.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки