Криопротектор – это вещество, используемое для защиты биологической ткани от повреждения замерзанием (т.е. вследствие образования льда ). Арктические и антарктические насекомые , рыбы и амфибии создают в своем организме криопротекторы ( антифризные соединения и антифризные белки ), чтобы минимизировать ущерб от замерзания в холодные зимние периоды. Криопротекторы также используются для сохранения живых материалов при изучении биологии и для консервации пищевых продуктов.
В течение многих лет глицерин использовался в криобиологии в качестве криопротектора для клеток крови и спермы быков, позволяя хранить его в жидком азоте при температуре около -196 °C. Однако глицерин нельзя использовать для защиты целых органов от повреждений. Вместо этого многие биотехнологические компании исследуют разработку других криопротекторов, более подходящих для такого использования. Успешное открытие может в конечном итоге сделать возможным массовое криогенное хранение (или «банковское хранение») трансплантируемых человеческих и ксенобиотических органов. Существенный шаг в этом направлении уже сделан. Компания Twenty First Century Medicine остекловала почку кролика до температуры -135°C с помощью своего запатентованного коктейля для витрификации. После согревания почка была успешно трансплантирована кролику с полной функциональностью и жизнеспособностью, способной поддерживать кролика в течение неопределенного времени в качестве единственной функционирующей почки. [1]
Криопротекторы действуют за счет увеличения концентрации растворенных веществ в клетках. Однако для того, чтобы быть биологически жизнеспособными, они должны легко проникать и не быть токсичными для клеток.
Некоторые криопротекторы действуют за счет снижения температуры стеклования раствора или материала. Таким образом, криопротектор предотвращает фактическое замерзание, и раствор сохраняет некоторую гибкость в стеклообразной фазе. Многие криопротекторы также функционируют путем образования водородных связей с биологическими молекулами при вытеснении молекул воды. Водородные связи в водных растворах важны для правильного функционирования белков и ДНК. Таким образом, поскольку криопротектор замещает молекулы воды, биологический материал сохраняет свою нативную физиологическую структуру и функцию, хотя и не погружен в водную среду. Эта стратегия сохранения чаще всего используется при ангидробиозе .
Смеси криопротекторов менее токсичны и более эффективны, чем монокомпонентные криопротекторы. [2] Смесь формамида с ДМСО ( диметилсульфоксидом ), пропиленгликолем и коллоидом на протяжении многих лет была наиболее эффективной из всех искусственно созданных криопротекторов. Для витрификации (т.е. затвердевания без образования кристаллического льда) использовались смеси криопротекторов . Витрификация имеет важное применение при сохранении эмбрионов, биологических тканей и органов для трансплантации . Витрификация также используется в крионике , чтобы исключить повреждения от замерзания.
Обычными криопротекторами являются гликоли ( спирты , содержащие по меньшей мере две гидроксильные группы ), такие как этиленгликоль , пропиленгликоль и глицерин . Этиленгликоль обычно используется в качестве автомобильного антифриза ; в то время как пропиленгликоль использовался для уменьшения образования льда в мороженом . Диметилсульфоксид (ДМСО) также считается традиционным криопротектором. Глицерин и ДМСО на протяжении десятилетий использовались криобиологами для уменьшения образования льда в сперматозоидах , [3] ооцитах , [4] и эмбрионах , консервированных при низких температурах в жидком азоте . Криоконсервация генетических ресурсов животных — это практика, в которой используются традиционные криопротекторы для хранения генетического материала с целью его будущего возрождения. Трегалоза – это невосстанавливающий сахар, вырабатываемый дрожжами и насекомыми в больших количествах. Его использование в качестве криопротектора в коммерческих системах широко запатентовано.
Арктические рыбы используют белки-антифризы , иногда с добавлением сахаров, в качестве криопротекторов.
В качестве криопротекторов насекомые чаще всего используют сахара или полиолы . Одним из видов, использующих криопротектор, является Polistes exclamans (оса). У этого вида для различения морфологии можно использовать разные уровни криопротектора. [5]
Адаптированные к холоду арктические лягушки , такие как лесные лягушки , и некоторые другие эктотермные организмы в полярных и приполярных регионах естественным образом производят глюкозу , [6] но южные бурые древесные лягушки и арктические саламандры создают в своей печени глицерин , чтобы уменьшить образование льда.
Когда арктические лягушки используют глюкозу в качестве криопротектора, при низкой температуре высвобождается огромное количество глюкозы, а специальная форма инсулина позволяет этой дополнительной глюкозе проникать в клетки. Когда лягушка весной согревается , лишняя глюкоза должна быть быстро удалена, но сохранена.
Криопротекторы также используются для консервирования пищевых продуктов. Эти соединения обычно представляют собой недорогие сахара и не вызывают каких-либо проблем с токсичностью. Например, многие (сырые) замороженные куриные продукты содержат водный раствор сахарозы и фосфатов натрия .
7. Урматских А.В. «Способ криоконсервации клеток, органов, тканей и организмов». RU 2804972 С2, 04.05.2022.