Криобиология — 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». На практике криобиология — это изучение биологического материала или систем при температурах ниже нормы. Изучаемые материалы или системы могут включать белки , клетки , ткани , органы или целые организмы . Температуры могут варьироваться от умеренно гипотермических состояний до криогенных температур.
Можно выделить по крайней мере шесть основных областей криобиологии: 1) изучение адаптации к холоду микроорганизмов , растений ( холодостойкость ) и животных, как беспозвоночных , так и позвоночных (включая спячку ), 2) криоконсервация клеток, тканей, гамет и эмбрионов животного и человеческого происхождения для (медицинских) целей длительного хранения путем охлаждения до температур ниже точки замерзания воды. Обычно это требует добавления 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) инвазивный подход к разрушению нездоровых тканей с использованием криогенных газов/жидкостей, и 6) физика переохлаждения , зародышеобразование /рост льда и инженерные аспекты теплопередачи во время охлаждения и нагревания применительно к биологическим системам. Криобиология включает крионику , низкотемпературное сохранение людей и млекопитающих с целью будущего возрождения, хотя это не является частью основной криобиологии, сильно зависящей от спекулятивной технологии, которая еще не изобретена. Некоторые из этих областей исследования опираются на криогенику , раздел физики и техники , который изучает производство и использование очень низких температур .
Многие живые организмы способны переносить длительные периоды времени при температурах ниже точки замерзания воды. Большинство живых организмов накапливают криопротекторы , такие как антинуклеирующие белки , полиолы и глюкозу, чтобы защитить себя от повреждений от заморозков острыми кристаллами льда. Большинство растений, в частности, могут безопасно достигать температур от −4 °C до −12 °C.
Три вида бактерий, Carnobacterium pleistocenium , Chryseobacterium greenlandensis и Herminiimonas glaciei , как сообщается, были возрождены после того, как выжили в течение тысяч лет в замороженном состоянии во льду. Некоторые бактерии, в частности Pseudomonas syringae , вырабатывают специализированные белки, которые служат мощными зародышеобразователями льда, которые они используют для принудительного образования льда на поверхности различных фруктов и растений при температуре около −2 °C. [1] Замораживание вызывает повреждения эпителия и делает питательные вещества в нижележащих тканях растений доступными для бактерий. [2] Листерия медленно растет при температурах до -1,5 °C и некоторое время сохраняется в замороженных продуктах. [3]
Многие растения проходят процесс, называемый закаливанием , который позволяет им выживать при температурах ниже 0 °C в течение недель или месяцев. Криобиология растений изучает клеточные и молекулярные адаптации, которые растения развивают для выживания при отрицательных температурах, такие как антифризные белки (AFP) и изменения в составе мембран. Криоконсервация является важнейшим методом в криобиологии растений, используемым для долгосрочного хранения генетического материала и сохранения исчезающих видов путем содержания тканей или семян растений в жидком азоте. Исследования в этой области направлены на повышение производительности сельского хозяйства в холодном климате, улучшение хранения генетических ресурсов растений и понимание влияния изменения климата на биоразнообразие растений. [4] [5]
Нематоды , выживающие при температуре ниже 0 °C, включают Trichostrongylus colubriformis и Panagrolaimus davidi . Нимфы тараканов ( Periplaneta japonica ) выдерживают короткие периоды заморозков при температуре от -6 до -8 °C. Красный плоский короед ( Cucujus clavipes ) может выживать после заморозки до -150 °C. [6] Грибной комарик Exechia nugatoria может выживать после заморозки до -50 °C благодаря уникальному механизму, при котором кристаллы льда образуются в теле, но не в голове. Еще один устойчивый к заморозкам жук — Upis ceramboides . [7] См. зимнюю экологию насекомых и антифризный белок . Еще одно беспозвоночное, которое на короткое время выдерживает температуры до -273 °C, — это тихоходка .
Личинки нематоды Haemonchus contortus могут выживать в течение 44 недель при заморозке при температуре -196 °C.
У лесной лягушки ( Rana sylvatica ) зимой может замерзнуть и превратиться в лед до 45% ее тела. «Кристаллы льда образуются под кожей и распределяются среди скелетных мышц тела. Во время замерзания дыхание, кровоток и сердцебиение лягушки прекращаются. Замерзание становится возможным благодаря специальным белкам и глюкозе, которые предотвращают внутриклеточное замерзание и обезвоживание». [8] [9] Лесная лягушка может выжить до 11 дней при заморозке при температуре -4 °C.
Другие позвоночные, которые выживают при температуре тела ниже 0 °C, включают расписных черепах ( Chrysemys picta ), серых древесных лягушек ( Hyla versicolor ), остромордых лягушек ( Rana arvalis ), коробчатых черепах ( Terrapene carolina - 48 часов при -2 °C), весенних пискунов ( Pseudacris crucifer ), подвязочных змей ( Thamnophis sirtalis - 24 часа при -1,5 °C), хоровых лягушек ( Pseudacris triseriata ), сибирских углозубов ( Salamandrella keyserlingii - 24 часа при -15,3 °C), [10] европейских ящериц ( Lacerta vivipara ) и антарктических рыб, таких как Pagothenia borchgrevinki . [11] [12] Антифризные белки, клонированные из таких рыб, использовались для придания морозостойкости трансгенным растениям. [ необходима ссылка ]
У арктических сусликов, находящихся в спячке, температура в брюшной полости может опускаться до -2,9 °C (26,8 °F), при этом отрицательная температура в брюшной полости сохраняется более трех недель подряд, хотя температура в области головы и шеи остается на уровне 0 °C или выше. [13]
История криобиологии восходит к древности. Еще в 2500 году до нашей эры в Египте в медицине использовались низкие температуры. Гиппократ рекомендовал использовать холод для остановки кровотечения и отеков. С появлением современной науки Роберт Бойль изучал воздействие низких температур на животных.
В 1949 году группа ученых под руководством Кристофера Полджа впервые криоконсервировала бычье семя . [14] Это привело к гораздо более широкому использованию криоконсервации сегодня, при этом многие органы , ткани и клетки обычно хранятся при низких температурах . Крупные органы, такие как сердца, обычно хранятся и транспортируются только в течение короткого времени при прохладных, но не отрицательных температурах для трансплантации . Клеточные суспензии (например, кровь и сперма) и тонкие срезы тканей иногда могут храниться почти бесконечно при температуре жидкого азота ( криоконсервация ). Человеческая сперма, яйцеклетки и эмбрионы обычно хранятся в исследованиях и методах лечения фертильности . Контролируемая скорость и медленное замораживание являются хорошо зарекомендовавшими себя методами, впервые разработанными в начале 1970-х годов, что позволило осуществить первое рождение замороженного человеческого эмбриона (Зои Лейланд) в 1984 году. С тех пор машины, которые замораживают биологические образцы с использованием программируемых шагов или контролируемых скоростей, использовались во всем мире для биологии человека, животных и клеток — «замораживание» образца для лучшего его сохранения для последующего оттаивания, прежде чем он будет подвергнут глубокой заморозке или криоконсервации 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. Количество живорождений от «медленно замороженных» эмбрионов составляет около 300 000–400 000 или 20% от предполагаемых 3 миллионов рождений с помощью экстракорпорального оплодотворения . Доктор Кристофер Чен из Австралии в 1986 году сообщил о первой в мире беременности с использованием медленно замороженных ооцитов из британского морозильника с контролируемой скоростью заморозки.
Криохирургия (намеренное и контролируемое разрушение тканей путем образования льда) была применена Джеймсом Арноттом в 1845 году во время операции на пациенте, больном раком.
Криобиология как прикладная наука в первую очередь занимается низкотемпературным сохранением. Гипотермическое хранение обычно происходит при температуре выше 0 °C, но ниже нормотермических (от 32 °C до 37 °C) температур млекопитающих. Хранение путем криоконсервации, с другой стороны, будет в диапазоне температур от −80 до −196 °C. Органы и ткани чаще всего являются объектами гипотермического хранения, тогда как отдельные клетки были наиболее распространенными объектами криоконсервации.
Правило большого пальца при гипотермическом хранении заключается в том, что каждое снижение температуры на 10 °C сопровождается 50%-ным снижением потребления кислорода . [15] Хотя у животных, находящихся в спячке, есть адаптированные механизмы, позволяющие избегать метаболических дисбалансов, связанных с гипотермией, гипотермические органы и ткани, сохраняемые для трансплантации, требуют специальных растворов для консервации, чтобы противостоять ацидозу , подавленной активности натриевого насоса и повышенному внутриклеточному кальцию . Для этой цели были разработаны специальные растворы для консервации органов, такие как Viaspan (раствор Университета Висконсина), HTK и Celsior. [16] Эти растворы также содержат ингредиенты для минимизации повреждений свободными радикалами , предотвращения отеков , компенсации потери АТФ и т. д.
Криоконсервация клеток руководствуется «гипотезой двух факторов» американского криобиолога Питера Мазура [ permanent dead link ] , которая гласит, что чрезмерно быстрое охлаждение убивает клетки путем образования внутриклеточного льда, а чрезмерно медленное охлаждение убивает клетки либо электролитной токсичностью , либо механическим дроблением. [17] 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 (почти 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% диметилсульфоксидом. [18] Криобиологи пытаются оптимизировать концентрацию криопротектора (минимизируя как образование льда, так и токсичность) и скорость охлаждения. Клетки можно охлаждать 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 зародышеобразующих агентов, но содержат природные витрифицирующие вещества, которые могут предотвратить образование льда в клетках, которые были умеренно обезвожены. Некоторые криобиологи ищут смеси криопротекторов для полной витрификации (нулевого образования льда) при сохранении клеток, тканей и органов. Методы витрификации представляют собой проблему в требовании поиска смесей криопротекторов, которые могут минимизировать токсичность.
Человеческие гаметы и двух-, четырех- и восьмиклеточные эмбрионы могут выдерживать криоконсервацию при температуре -196 °C в течение 10 лет в хорошо контролируемых лабораторных условиях. [19]
Криоконсервация у людей в отношении бесплодия подразумевает сохранение эмбрионов, спермы или ооцитов посредством замораживания. Зачатие in vitro пытаются осуществить, когда сперму размораживают и вводят в «свежие» яйцеклетки, замороженные яйцеклетки размораживают, а сперму помещают вместе с яйцеклетками, и вместе они помещаются обратно в матку, или замороженный эмбрион вводят в матку. Витрификация имеет недостатки и не так надежна или не доказана, как замораживание оплодотворенной спермы, яйцеклеток или эмбрионов, как традиционные методы медленного замораживания, поскольку яйцеклетки сами по себе чрезвычайно чувствительны к температуре. Многие исследователи также замораживают ткань яичников вместе с яйцеклетками в надежде, что ткань яичников можно будет пересадить обратно в матку, стимулируя нормальные циклы овуляции. В 2004 году Донне из Лувена в Бельгии сообщил о первом успешном рождении яичников из замороженной ткани яичников. В 1997 году образцы коркового вещества яичников были взяты у женщины с лимфомой Ходжкина и криоконсервированы в морозильнике с контролируемой скоростью (Planer, Великобритания), а затем хранились в жидком азоте. Химиотерапия была начата после того, как у пациентки произошло преждевременное угасание функции яичников. В 2003 году после замораживания-оттаивания была проведена ортотопическая аутотрансплантация корковой ткани яичников с помощью лапароскопии, и через пять месяцев признаки реимплантации указали на восстановление регулярных овуляторных циклов. Через одиннадцать месяцев после реимплантации была подтверждена жизнеспособная внутриматочная беременность, которая привела к первому такому живорождению — девочке по имени Тамара. [20]
Терапевтическая гипотермия , например, во время операции на «холодном» сердце (создаваемом путем холодной перфузии без образования льда), позволяет проводить гораздо более длительные операции и улучшает показатели восстановления пациентов.
Общество криобиологии было основано в 1964 году для объединения представителей биологических, медицинских и физических наук, имеющих общий интерес к влиянию низких температур на биологические системы . По состоянию на 2007 год Общество криобиологии насчитывало около 280 членов со всего мира, и половина из них проживали в США. Целью Общества является содействие научным исследованиям в области низкотемпературной биологии, улучшение научного понимания в этой области, а также распространение и применение этих знаний на благо человечества. Общество требует от всех своих членов соблюдения самых высоких этических и научных стандартов при выполнении своей профессиональной деятельности. Согласно уставу Общества , в членстве может быть отказано заявителям, чье поведение считается наносящим ущерб Обществу; в 1982 году устав был изменен, чтобы исключить «любую практику или применение замораживания умерших людей в ожидании их реанимации», несмотря на возражения некоторых членов, которые были крионистами, такими как Джерри Лиф . [21] Общество организует ежегодную научную встречу , посвященную всем аспектам низкотемпературной биологии. Эта международная встреча предлагает возможности для презентации и обсуждения самых современных исследований в области криобиологии, а также для обзора конкретных аспектов посредством симпозиумов и семинаров. Члены также информируются о новостях и предстоящих встречах через информационный бюллетень общества News Notes . Президентом Общества криобиологии в 2011–2012 годах был Джон Х. Кроу. [22]
Общество низкотемпературной биологии было основано в 1964 году и стало зарегистрированной благотворительной организацией в 2003 году [23] с целью содействия исследованиям воздействия низких температур на все типы организмов и их составляющие клетки, ткани и органы. По состоянию на 2006 год общество насчитывало около 130 (в основном британских и европейских) членов и проводило по крайней мере одно ежегодное общее собрание. Программа обычно включает как симпозиум по актуальной теме, так и сессию свободных сообщений по любому аспекту низкотемпературной биологии. Недавние симпозиумы включали долгосрочную стабильность, сохранение водных организмов, криоконсервацию эмбрионов и гамет , сохранение растений, низкотемпературную микроскопию , витрификацию (стеклообразование водных систем при охлаждении), сублимационную сушку и банк тканей . Члены информируются через информационный бюллетень общества, который в настоящее время публикуется три раза в год.
Cryobiology (издательство: Elsevier ) — ведущее научное издание в этой области, публикующее около 60 рецензируемых статей в год. Статьи касаются любого аспекта низкотемпературной биологии и медицины (например, замораживание, сушка замораживанием , гибернация, переносимость холода и адаптация, криопротекторные соединения, медицинское применение пониженной температуры, криохирургия, гипотермия и перфузия органов).
Cryo Letters — независимый британский журнал быстрой коммуникации, публикующий статьи о влиянии низких температур на широкий спектр биофизических и биологических процессов , а также исследования, в которых используются низкотемпературные методы при изучении биологических и экологических тем.
Biopreservation and Biobanking (ранее Cell Preservation Technology) — рецензируемый ежеквартальный научный журнал, издаваемый Mary Ann Liebert, Inc., посвященный разнообразному спектру технологий сохранения, включая криоконсервацию , сухое состояние ( ангидробиоз ), стеклообразное состояние и гипотермическое поддержание. Cell Preservation Technology был переименован в Biopreservation and Biobanking и является официальным журналом Международного общества биологических и экологических репозиториев.
Проблемы криобиологии и криомедицины (ранее «Криобиология» (1985-1990) и «Проблемы криобиологии» (1991-2012)) издается Институтом проблем криобиологии и криомедицины. Журнал охватывает все темы, связанные с биологией низких температур, медициной и техникой. [24]
