Криопротектор — это вещество, используемое для защиты биологических тканей от замерзания (то есть от образования льда ). Арктические и антарктические насекомые , рыбы и земноводные вырабатывают в своих телах криопротекторы ( антифризные соединения и антифризные белки ), чтобы минимизировать замерзание в холодные зимние периоды. Криопротекторы также используются для сохранения живых материалов при изучении биологии и для сохранения пищевых продуктов.
В течение многих лет глицерин использовался в криобиологии в качестве криопротектора для клеток крови и спермы быка, позволяя хранить их в жидком азоте при температуре около −196 °C. Однако глицерин не может использоваться для защиты целых органов от повреждений. Вместо этого многие биотехнологические компании исследуют разработку других криопротекторов, более подходящих для таких целей. Успешное открытие может в конечном итоге сделать возможным массовое криогенное хранение (или «банкирование») трансплантируемых человеческих и ксенобиотических органов. Значительный шаг в этом направлении уже сделан. Twenty-First Century Medicine витрифицирует почку кролика до -135 °C с помощью своего фирменного витрифицирующего коктейля. После повторного нагревания почка была успешно пересажена 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 растворенного вещества в клетках. Однако, чтобы быть биологически жизнеспособными, они должны легко проникать и не быть токсичными для клеток.
Некоторые криопротекторы действуют, понижая температуру стеклования раствора или материала. Таким образом, криопротектор предотвращает фактическое замерзание, и раствор сохраняет некоторую гибкость в стеклообразной фазе. Многие криопротекторы также действуют, образуя водородные связи с биологическими молекулами, поскольку молекулы воды вытесняются. Водородные связи в водных растворах важны для правильного функционирования белков и ДНК. Таким образом, поскольку криопротектор заменяет молекулы воды, биологический материал сохраняет свою нативную физиологическую структуру и функцию, хотя они больше не погружены в водную среду. Эта стратегия сохранения чаще всего используется в ангидробиозе .
Смеси криопротекторов менее токсичны и более эффективны, чем криопротекторы с одним агентом. [2] Смесь формамида с ДМСО ( диметилсульфоксидом ), пропиленгликолем и коллоидом в течение многих лет была наиболее эффективной из всех искусственно созданных криопротекторов. Смеси криопротекторов использовались для витрификации (т. е. затвердевания без образования кристаллического льда). Витрификация имеет важные приложения для сохранения эмбрионов, биологических тканей и органов для трансплантации . Витрификация также используется в крионике , чтобы устранить повреждения от замораживания.
Обычные криопротекторы — это гликоли ( спирты, содержащие не менее двух гидроксильных групп), такие как этиленгликоль [ требуется ссылка ] , 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 обычным криопротектором. Глицерин и ДМСО десятилетиями использовались криобиологами для уменьшения образования льда в сперме , [3] ооцитах , [4] и эмбрионах , которые консервируются в жидком азоте . Криоконсервация генетических ресурсов животных — это практика, которая включает обычные криопротекторы для хранения генетического материала с целью 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 в качестве криопротекторов белки-антифризы , иногда с добавлением сахаров.
Насекомые чаще всего используют сахара или полиолы в качестве криопротекторов. Одним из видов, использующих криопротектор, является Polistes exclamans (оса). У этого вида различные уровни криопротектора могут использоваться для различения морфологий. [5]
Приспособленные к холоду арктические лягушки , такие как древесные лягушки , и некоторые другие пойманные существа в полярных и субполярных регионах естественным образом вырабатывают глюкозу [6] , но южные бурые древесные лягушки и арктические саламандры вырабатывают глицерин в своей печени , чтобы уменьшить образование льда.
Когда глюкоза используется в качестве криопротектора арктическими лягушками, при низкой температуре выделяется огромное количество глюкозы, а особая форма инсулина позволяет этой дополнительной глюкозе проникать в клетки. Когда лягушка согревается весной , дополнительная глюкоза должна быстро выводиться, но сохраняться.
Криопротекторы также используются для сохранения продуктов питания. Эти соединения обычно представляют собой сахара, которые недороги и не представляют никакой опасности для здоровья. Например, многие (сырые) замороженные куриные продукты содержат раствор сахарозы и фосфатов натрия в воде.
7. Урмацких А.В. «Способ криоконсервации клеток, органов, тканей и организмов». RU 2804972 C2, 04.05.2022.