Криобиология - Cryobiology

Криобиология это филиал биология который изучает эффекты низких температуры на живые существа в пределах Земли криосфера 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 целиком организмы. Температура может колебаться от умеренной переохлаждение условия для криогенный температуры.

Направления обучения

Можно выделить как минимум шесть основных областей криобиологии: 1) изучение адаптации к холоду микроорганизмы, растения (морозоустойчивость ), и животные, оба беспозвоночные и позвоночные (включая спячка ), 2) криоконсервация клеток, тканей, гаметы, 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 замораживание и оттаивание (криопротекторы ), 3) сохранение органов в гипотермических условиях для трансплантация, 4) лиофилизация (сублимационной сушки ) из фармацевтические препараты, 5) криохирургия, (минимально) инвазивный подход к разрушению нездоровой ткани с использованием криогенных газов / жидкостей, и 6) физика переохлаждение, лед зарождение / рост и машиностроительные аспекты теплопередача во время охлаждения и нагревания применительно к биологическим системам. Криобиология будет включать крионика - сохранение людей и млекопитающих при низких температурах с целью возрождения в будущем, хотя это не является частью основной криобиологии, поскольку в значительной степени зависит от умозрительных технологий, которые еще предстоит изобрести. Некоторые из этих областей исследования опираются на криогеника, филиал физика и инженерное дело который изучает производство и использование очень низких температуры

Криоконсервация в природе

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

Бактерии

Три вида бактерий, Carnobacterium pleistocenium, Chryseobacterium greenlandensis, и Herminiimonas glaciei, по сообщениям, были возрождены после того, как выжили в течение тысяч лет, замороженных во льду. Некоторые бактерии, в частности Pseudomonas syringae, производят специализированные белки, которые служат мощными зародышеобразователями льда, которые они используют, чтобы вызвать образование льда на поверхности различных фруктов и растений при температуре около -2 ° C.[1] Замораживание вызывает повреждение эпителия и делает питательные вещества в нижележащих тканях растения доступными для бактерий.[2] Листерия медленно растет при температуре до -1,5 ° C и сохраняется в течение некоторого времени в замороженных продуктах.[3]

Растения

Многие растения подвергаются процессу, называемому закалка что 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 Панагролаймус давиди. Таракан нимфы (Periplaneta japonica) выдерживают короткие периоды замерзания при температуре от -6 до -8 ° C. Короед красный плоский (Cucujus клавипы) может выжить после замораживания до -150 ° C.[4] В грибной комар Exechia nugatoria могут выжить после замораживания до -50 ° C благодаря уникальному механизму, при котором кристаллы льда образуются в теле, но не в голове. Еще один морозоустойчивый жук - Upis ceramboides.[5] Видеть насекомое зимняя экология и антифриз протеин. Еще одно беспозвоночное, кратковременно устойчивое к температурам до -273 ° C, - это тихоходка.

Личинки Haemonchus contortus, а нематода, может выдержать 44 недели замороженных при -196 ° C.

Позвоночные

Для деревянная лягушка (Rana sylvatica) зимой до 45% его 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». [6][7] Древесная лягушка может выжить до 11 дней в замороженном виде при -4 ° C.

Другие позвоночные животные, которые выживают при температуре тела ниже 0 ° C, включают окрашенных черепах (Chrysemys picta ), серые квакши (Hyla versicolor), коробчатые черепахи (Террапен каролина - 48 часов при -2 ° C), весенний гляделка (Псевдакрис крестоцветный), подвязки змей (Тамнофис сирталис - 24 часа при -1,5 ° C), хор лягушка (Pseudacris triseriata), Сибирская саламандра (Salamandrella keyserlingii - 24 часа при -15,3 ° C),[8] Европейская обыкновенная ящерица (Ласерта вивипара ) и антарктических рыб, таких как Pagothenia borchgrevinki.[9][10] Клонированные из таких рыб антифризы протеины были использованы для придания морозостойкости трансгенный растения.[нужна цитата ]

Гибернация Арктические суслики может иметь температуру брюшной полости до -2,9 ° C (26,8 ° F), поддерживая отрицательную температуру брюшной полости более трех недель за раз, хотя температура в области головы и шеи остается на уровне 0 ° C или выше.[11]

Прикладная криобиология

Историческое прошлое

Бойл

История криобиологии уходит корнями в глубокую древность. Еще в 2500 году до нашей эры низкие температуры использовались в Египте в медицине. Применение холода рекомендовано Гиппократ чтобы остановить кровотечение и отек. С появлением современной науки Роберт Бойл изучили влияние низких температур на животных.

В 1949 году бык сперма был криоконсервированный впервые группой ученых во главе с Кристофер Польдж.[12] Это привело к гораздо более широкому использованию криоконсервация сегодня со многими органы, ткани и клетки обычно хранится на низком уровне температуры. Большие органы, такие как сердца обычно хранятся и перевозятся в течение непродолжительного времени при прохладных, но не отрицательных температурах в течение трансплантация. Суспензии клеток (например, кровь и сперма) и срезы тонких тканей иногда могут храниться почти неограниченное время в жидкий азот температура (криоконсервация ). Человеческая сперма, яйца и эмбрионы обычно хранятся в плодородие исследования и лечение. 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 используются машины, которые замораживают биологические образцы с использованием программируемых шагов или контролируемой скорости во всем мире для человека, животных и клеточной биологии - «замораживание» образца для лучшего сохранения 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, сперматозоидов, 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. in vitro удобренный рождений. Д-р 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) было выполнено Джеймсом Арноттом в 1845 году во время операции на больном раком. Криохирургия встречается нечасто.[нужна цитата ]

Низкотемпературный банк, Институт проблем криобиологии и криомедицины из Национальная академия наук Украины

Техники консервации

Криобиология как Прикладная наука в первую очередь занимается сохранением при низких температурах. Гипотермический температура хранения обычно выше 0 ° C, но ниже нормотермической (32–37 ° C) температуры млекопитающих. С другой стороны, хранение путем криоконсервации будет в диапазоне температур от -80 до -196 ° C. Органы и ткани чаще являются объектами гипотермического хранения, тогда как единичные клетки являются наиболее распространенными объектами, которые подвергаются криоконсервации.

Практическое правило при гипотермическом хранении заключается в том, что каждые 10 ° C снижение температуры сопровождается снижением температуры на 50%. потребление кислорода.[13] Несмотря на то что зимующие животные адаптировали механизмы, чтобы избежать метаболический дисбаланс связанные с переохлаждением, переохлаждение органов и тканей, поддерживаемых для трансплантации, требуют специальных консервационных растворов для предотвращения ацидоз депрессия натриевый насос Мероприятия. и повышенный внутриклеточный кальций. Специальные решения для сохранения органов, такие как Виаспан (Решение Висконсинского университета), HTK, и Celsior были созданы для этой цели.[14] Эти решения также содержат ингредиенты для минимизации повреждений свободные радикалы, не допустить отек, компенсировать АТФ потеря и др.

Криоконсервация клеток руководствуется «двухфакторной гипотезой» американского криобиолога. Петр Мазур, в котором говорится, что чрезмерно быстрое охлаждение убивает клетки за счет образования внутриклеточного льда, а чрезмерно медленное охлаждение убивает клетки либо за счет электролит токсичность или механическое дробление.[15] Во время медленного охлаждения лед образуется внеклеточно, в результате чего вода осмотически покидать клетки, тем самым обезвоживание их. Внутриклеточный лед может быть гораздо более опасным, чем внеклеточный.

За красные кровяные тельца, оптимальная скорость охлаждения очень высокая (около 100 ° C в секунду), тогда как для стволовые клетки 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.[16] Криобиологи пытаются оптимизировать концентрацию криопротекторов (минимизируя образование льда и его токсичность) и скорость охлаждения. Клетки можно охладить с оптимальной скоростью до температуры от -30 до -40 ° C перед погружением в жидкий азот.

Методы медленного охлаждения основаны на том, что клетки содержат мало зарождение агентов, но содержат природные стекловидные вещества, которые могут предотвратить образование льда в умеренно обезвоженных клетках. Некоторые криобиологи ищут смеси криопротекторов для полного стеклование (нулевое образование льда) в сохранении клеток, тканей и органов. Методы витрификации ставят задачу поиска смесей криопротекторов, которые могут минимизировать токсичность.

В людях

Человек гаметы и двух-, четырех- и восьмиэлементные эмбрионы может выжить криоконсервация при -196 ° C в течение 10 лет в строго контролируемых лабораторных условиях.[17]

Криоконсервация у людей в отношении бесплодия включает сохранение эмбрионов, спермы или ооцитов путем замораживания. Зачатие in vitro, предпринимается, когда сперму размораживают и вводят в «свежие» яйцеклетки, замороженные яйца размораживают, сперму помещают вместе с яйцеклетками, и вместе они помещают обратно в матку или в матку вводят замороженный эмбрион. Витрификация имеет недостатки и не так надежна и не доказана, как замораживание оплодотворенной спермы, яиц или эмбрионов, как традиционные методы медленного замораживания, поскольку 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 Тамара.[18]

Лечебное переохлаждение, например в течение операция на сердце на «холодном» сердце (создаваемом перфузией холода без образования льда) позволяет проводить гораздо более длительные операции и улучшает скорость восстановления пациентов.

Научные общества

В Общество криобиологии была основана в 1964 году, чтобы объединить представителей биологических, медицинских и физических наук, заинтересованных в изучении воздействия низких температур на биологические системы. По состоянию на 2007 год в Общество криобиологии входило около 280 членов со всего мира, половина из них - из 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. По данным Общества устав в членстве может быть отказано заявителям, поведение которых считается наносящим ущерб Обществу; в 1982 году в устав были внесены прямые поправки, исключающие «любую практику или применение замораживания умерших в ожидании их реанимации», несмотря на возражения некоторых членов, которые были крионистами, например Джерри Лиф.[19] Общество организует ежегодное научное собрание посвящен 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. Новости Заметки. Президентом Общества криобиологии в 2011–2012 годах был Джон Х. Кроу.[20]

Общество низкотемпературной биологии было основано в 1964 году и стало зарегистрированная благотворительная организация в 2003 году[21] 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 проводит как минимум одно ежегодное общее собрание. Программа обычно включает в себя как симпозиум на актуальную тему и сеанс бесплатного общения по любому аспекту низкотемпературной биологии. Недавние симпозиумы включали долгосрочную стабильность, сохранение водных организмов, криоконсервацию эмбрионов и гаметы, сохранение растений, низкотемпературный микроскопия, стеклование (стеклование водных систем при охлаждении), сублимационной сушки и банк тканей. Члены информируются через информационный бюллетень общества, который в настоящее время издается три раза в год.

Журналы

Криобиология (издатель: Эльзевир ) является ведущим научным изданием в этой области, ежегодно публикуется около 60 рецензируемых статей. Статьи касаются любых аспектов низкотемпературной биологии и медицины (например, замораживание, сублимационной сушки, гибернация, холодоустойчивость и адаптация, криозащитные составы, медицинские применения пониженной температуры, криохирургия, переохлаждение, и перфузия органов).

Крио письма является независимым британским журналом быстрой коммуникации, который публикует статьи о влиянии низких температур на широкий спектр биофизических и биологических процессов или исследования с использованием низкотемпературных методов в исследовании биологических и экологических тем.

Биоконсервация и биобанкинг (ранее Cell Preservation Technology) - это рецензируемый ежеквартальный научный журнал опубликовано Мэри Энн Либерт, Inc. посвященный разнообразному спектру технологий сохранения, включая криоконсервация, в сухом состоянии (ангидробиоз ), и стекловидное состояние и гипотермическое обслуживание. Технология сохранения клеток был переименован Биоконсервация и биобанкинг и является официальным журналом Международного общества биологических и экологических хранилищ.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Маки Л.Р., Галян Е.Л., Чанг-Чиен М.М., Колдуэлл Д.Р. (1974). «Зарождение льда, вызванное Pseudomonas syringae». Прикладная микробиология. 28 (3): 456–459. Дои:10.1128 / aem.28.3.456-459.1974. ЧВК  186742. PMID  4371331.
  2. ^ Захариассен К.Э., Кристиансен Э. (2000). «Зарождение льда и антинуклеация в природе». Криобиология. 41 (4): 257–279. Дои:10.1006 / крио.2000.2289. PMID  11222024.
  3. ^ "Вахта безопасности пищевых продуктов". Архивировано из оригинал в 2013-07-29. Получено 2013-09-12.
  4. ^ Ученые выяснили, что грибковые комары переживают зиму в полузамороженном виде | Аляскана | ADN.com В архиве 2009-09-23 на Wayback Machine
  5. ^ «Жуки Аляски переживают« неземные »температуры». Архивировано из оригинал на 2010-01-17. Получено 2009-10-26.
  6. ^ Киль, Кэти. "Lithobates sylvaticus (Древесная лягушка)". Сеть разнообразия животных.
  7. ^ "Нация и мир - Взгляд на замороженных лягушек в поисках ключей к улучшению медицины человека - газета Сиэтл Таймс".
  8. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2008-12-28. Получено 2009-10-27.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  9. ^ "ftvert". Архивировано из оригинал на 2009-07-27. Получено 2009-10-26.
  10. ^ «Криобиология». www.units.miamioh.edu.
  11. ^ Барнс, Брайан М. (30 июня 1989 г.). «Предотвращение замораживания млекопитающих: температура тела ниже 0 ° C в условиях арктической спячки» (PDF). Наука. 244 (4912): 1521–1616. Bibcode:1989Научный ... 244.1593B. Дои:10.1126 / science.2740905. PMID  2740905. Архивировано из оригинал (PDF) на 2008-12-16. Получено 2008-11-23.
  12. ^ К. Польдж, А.У. Смит, А.С. Паркс, Возрождение сперматозоидов Эффективное стеклование и обезвоживание при низких температурах Nature, 164 (1949), стр. 666
  13. ^ Райсон Дж. К. (1973). «Влияние фазовых изменений, вызванных температурой, на кинетику дыхательных и других мембраносвязанных ферментных систем». J Bioenerg. 4 (1): 285–309. Дои:10.1007 / BF01516063. PMID  4577759. S2CID  198194950.
  14. ^ Мюльбахер Ф, Лангер Ф, Миттермайер С (1999). «Консервационные растворы для трансплантации». Процедура трансплантации. 31 (5): 2069–70. Дои:10.1016 / S0041-1345 (99) 00265-1. PMID  10455972.
  15. ^ Мазур П. (1977). «Роль внутриклеточного замораживания в гибели клеток, охлажденных с сверхоптимальной скоростью». Криобиология. 14 (3): 251–72. Дои:10.1016/0011-2240(77)90175-4. PMID  330113.
  16. ^ Хант CJ, Armitage SE, Pegg DE (2003). «Криоконсервация пуповинной крови: 1. Осмотически неактивный объем, гидравлическая проводимость и проницаемость клеток CD34 (+) для диметилсульфоксида». Криобиология. 46 (1): 61–75. Дои:10.1016 / S0011-2240 (02) 00180-3. PMID  12623029.
  17. ^ "Замораживание". Тихоокеанский центр фертильности. 2010 г.. Получено 2010-02-28.
  18. ^ «Живорождение после ортотопической трансплантации криоконсервированной ткани яичника» (PDF). Дж. Доннез, М. М. Долманс, Д. Демилль, П. Джадул, К. Пирар, Дж. Сквиффлет, Б. Мартинес-Мадрид, А. Ван Лангендонкт. 2004 г.. Получено 2015-01-02.
  19. ^ Дарвин, Майк (1991). «Холодная война: конфликт между крионистами и криобиологами». Крионика. Фонд Alcor Life Extension Foundation. Получено 2009-08-24.
  20. ^ "Офицеры и губернаторы". Общество криобиологии. Архивировано из оригинал на 2006-09-27. Получено 2010-03-13.
  21. ^ (Комиссия по благотворительности для Англии и Уэльса № 1099747)

внешняя ссылка