Криобиология
Криобиология — это раздел биологии , изучающий влияние низких температур Земли на живые существа в криосфере или в науке. Слово криобиология происходит от греческих слов κρῧος [криос], «холод», βίος [биос], «жизнь» и λόγος [логос], «слово». На практике криобиология — это исследование 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 условий до криогенных температур.
Области обучения
[ редактировать ]Можно выделить как минимум шесть основных направлений криобиологии: 1) изучение холодовой адаптации микроорганизмов , растений ( холодоустойчивости ) и животных, как беспозвоночных , так и позвоночных (в том числе в состоянии спячки ), 2) криоконсервации клеток, тканей, гамет и эмбрионы животного и человеческого происхождения для (медицинских) целей длительного хранения путем охлаждения до температур ниже точки замерзания воды. Обычно для этого требуется добавление веществ, защищающих клетки при замораживании и оттаивании ( криопротекторы ), 3) консервация органов в гипотермических условиях для трансплантации , 4) лиофилизация ( сушка вымораживанием ) лекарственных средств , 5) криохирургия , (минимально) инвазивный метод. подход к разрушению нездоровых тканей с использованием криогенных газов/жидкостей и 6) физика переохлаждения , льда зарождения /роста и машиностроительные аспекты теплопередачи при охлаждении и нагревании применительно к биологическим системам. Криобиология будет включать крионику , сохранение людей и млекопитающих при низких температурах с целью их будущего возрождения, хотя это не является частью основной криобиологии и во многом зависит от умозрительных технологий, которые еще предстоит изобрести. Некоторые из этих областей исследования опираются на криогеника , раздел физики и техники , изучающий получение и использование очень низких температур .
Криоконсервация в природе
[ редактировать ]Многие живые организмы способны переносить длительные периоды времени при температуре ниже точки замерзания воды. Большинство живых организмов накапливают криопротекторы, такие как антинуклеирующие белки , полиолы и глюкоза , чтобы защитить себя от повреждения морозом острыми кристаллами льда. В частности, большинство растений могут безопасно достигать температуры от -4 °C до -12 °C.
Бактерии
[ редактировать ]Сообщается, что три вида бактерий, Carnobacterium pleistocenium , Chryseobacterium greenlandensis и Herminiimonas glaciei , были возрождены после тысячелетнего выживания во льду. Некоторые бактерии, особенно Pseudomonas syringae , производят специализированные белки, которые служат мощными зародышеобразователями льда, которые они используют для формирования льда на поверхности различных фруктов и растений при температуре около -2 °C. [ 1 ] Замораживание вызывает повреждение эпителия и делает питательные вещества в подлежащих тканях растения доступными для бактерий. [ 2 ] Листерия растет медленно при температуре до -1,5 °C и некоторое время сохраняется в замороженных продуктах. [ 3 ]
Растения
[ редактировать ]Многие растения подвергаются процессу, называемому закаливанием , который позволяет им выдерживать температуру ниже 0 °C в течение недель или месяцев. Криобиология растений исследует клеточные и молекулярные адаптации, которые растения развивают, чтобы выжить при отрицательных температурах, такие как антифризные белки (AFP) и изменения в составе мембран. Криоконсервация — важнейший метод криобиологии растений, используемый для долгосрочного хранения генетического материала и сохранения исчезающих видов путем хранения тканей или семян растений в жидком азоте. Исследования в этой области направлены на повышение продуктивности сельского хозяйства в холодном климате, улучшение хранения генетических ресурсов растений и понимание воздействия изменения климата на биоразнообразие растений. [ 4 ] [ 5 ]
Животные
[ редактировать ]Беспозвоночные
[ редактировать ]К нематодам , выживающим при температуре ниже 0 °C, относятся Trichostrongylus colubriformis и Panagrolaimus davidi . тараканов Нимфы ( Periplaneta japonica ) переживают короткие периоды заморозков при температуре от -6 до -8°C. Красный плоский короед ( Cucujus clavipes ) может выжить после замораживания до -150 °C. [ 6 ] Грибковый комар Exechia nugatoria может выжить после заморозки до -50 °C благодаря уникальному механизму, при котором кристаллы льда образуются в теле, но не в голове. Еще один морозоустойчивый жук — Upis ceramboides . [ 7 ] См. зимнюю экологию насекомых и белок-антифриз . Еще одним беспозвоночным, кратковременно терпимым к температуре до -273°C, является тихоходка .
Личинки Haemonchus contortus нематоды могут выжить в течение 44 недель в замороженном состоянии при температуре -196°C.
Позвоночные животные
[ редактировать ]У лесной лягушки ( Rana sylvatica ) зимой до 45% тела может замерзнуть и превратиться в лед. «Кристаллы льда образуются под кожей и разбросаны по скелетным мышцам тела. Во время заморозки дыхание, кровоток и сердцебиение лягушки прекращаются. Замораживание становится возможным благодаря специальным белкам и глюкозе, которые предотвращают внутриклеточное замерзание и обезвоживание». [ 8 ] [ 9 ] Лесная лягушка может выжить до 11 дней в замороженном состоянии при температуре -4 °C.
К другим позвоночным животным, выживающим при температуре тела ниже 0 °C, относятся окрашенные черепахи ( Chrysemys picta ), серые древесные лягушки ( Hyla versicolor ), болотные лягушки (Rana arvalis), коробчатые черепахи ( Terrapene carolina — 48 часов при -2 °C), весенние глядец ( Pseudacris Crusfer ), подвязочные змеи ( Thamnophis sirtalis — 24 часа при -1,5). °С), хоровую лягушку ( Pseudacris triseriata ), сибирскую углозубку ( Salamandrellakeyserlingii — 24 часа при -15,3 °С), [ 10 ] Европейская обыкновенная ящерица ( Lacerta vivipara ) и антарктические рыбы, такие как Pagothenia borchgrevinki . [ 11 ] [ 12 ] Белки-антифризы, клонированные из таких рыб, использовались для придания трансгенным растениям морозостойкости. [ нужна ссылка ]
У впадающих в спячку арктических сусликов температура брюшной полости может достигать -2,9 ° C (26,8 ° F), при этом температура в брюшной полости сохраняется ниже нуля в течение более трех недель, хотя температура головы и шеи остается на уровне 0 ° C или выше. [ 13 ]
Прикладная криобиология
[ редактировать ]Историческая справка
[ редактировать ]
История криобиологии уходит корнями в глубокую древность. Еще в 2500 году до нашей эры низкие температуры использовались в Египте в медицине. Применение холода рекомендовал Гиппократ для остановки кровотечений и отеков. С появлением современной науки Роберт Бойль изучал влияние низких температур на животных.
быка В 1949 году сперма была криоконсервирована впервые группой учёных под руководством Кристофера Польджа . [ 14 ] 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 хранят и транспортируют (только на короткое время) при прохладных, но не отрицательных температурах для трансплантации . Суспензии клеток (таких как кровь и сперма) и тонкие срезы тканей иногда можно хранить почти неопределенное время при температуре жидкого азота ( криоконсервация ). Человеческая сперма, яйцеклетки и эмбрионы обычно хранятся в ходе бесплодия исследований и лечения . Контролируемая скорость и медленное замораживание — это хорошо зарекомендовавшие себя методы, впервые разработанные в начале 1970-х годов и позволившие родить первого замороженного человеческого эмбриона (Зои Лейланд) в 1984 году. во всем мире для биологии человека, животных и клеток – «замораживание» образца, чтобы лучше сохранить его для возможного оттаивания перед глубокой заморозкой или криоконсервацией в жидком азоте. Такие машины используются для замораживания ооцитов, кожи, продуктов крови, эмбрионов, спермы, стволовых клеток и общей консервации тканей в больницах, ветеринарных клиниках и исследовательских лабораториях. Число живорождений из «медленно замороженных» эмбрионов составляет от 300 000 до 400 000, или 20% от примерно 3 миллионов. рождение ребенка методом экстракорпорального оплодотворения . Доктор Кристофер Чен из Австралии сообщил о первой в мире беременности с использованием медленно замороженных ооцитов из британской морозильной камеры с контролируемой скоростью в 1986 году.
Криохирургию (намеренное и контролируемое разрушение тканей путем образования льда) осуществил Джеймс Арнотт в 1845 году при операции на больном раком.
Методы консервации
[ редактировать ]Криобиология как прикладная наука в первую очередь занимается сохранением при низких температурах. Гипотермическое хранение обычно осуществляется при температуре выше 0 °C, но ниже нормотермической (от 32 °C до 37 °C) температуры млекопитающих. С другой стороны, хранение путем криоконсервации будет осуществляться в диапазоне температур от –80 до –196 °C. Объектами гипотермического хранения чаще являются органы и ткани, тогда как наиболее распространенными объектами криоконсервации являются отдельные клетки.
Эмпирическое правило гипотермического хранения заключается в том, что каждые 10 °C снижения температуры сопровождаются 50%-ным снижением потребления кислорода . [ 15 ] Хотя у животных, находящихся в спячке, есть адаптированные механизмы, позволяющие избежать метаболического дисбаланса , связанного с гипотермией, гипотермические органы и ткани, сохраняемые для трансплантации, требуют специальных консервирующих растворов для противодействия ацидозу и подавлению натриевой помпы активности . и увеличение внутриклеточного кальция . Специальные решения для консервации органов, такие как Viaspan (решение Университета Висконсина), HTK и Celsior, имеют был разработан для этой цели. [ 16 ] Эти растворы также содержат ингредиенты, которые минимизируют повреждение свободными радикалами , предотвращают отеки , компенсируют АТФ потерю и т. д.
Криоконсервация клеток руководствуется «двухфакторной гипотезой» американского криобиолога Питера Мазура. [ постоянная мертвая ссылка ] , в котором говорится, что чрезмерно быстрое охлаждение убивает клетки за счет образования внутриклеточного льда, а чрезмерно медленное охлаждение убивает клетки либо из-за электролитов токсичности , либо из-за механического разрушения. [ 17 ] При медленном охлаждении внеклеточно образуется лед, заставляющий воду осмотически покидать клетки, тем самым обезвоживая их. Внутриклеточный лед может быть гораздо более разрушительным, чем внеклеточный лед.
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% диметилсульфоксидом. [ 18 ] Криобиологи пытаются оптимизировать концентрацию криопротектора (минимизируя образование льда и 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 факте, что клетки содержат мало зародышеобразователей , но содержат природные стеклообразующие вещества, которые могут предотвратить образование льда в умеренно обезвоженных клетках. Некоторые криобиологи ищут смеси криопротекторов для полной витрификации (нулевого образования льда) при сохранении клеток, тканей и органов. Методы витрификации ставят задачу поиска криопротекторных смесей, способных минимизировать токсичность.
У людей
[ редактировать ]Человеческие гаметы и двух-, четырех- и восьмиклеточные эмбрионы могут пережить криоконсервацию при -196 °C в течение 10 лет в хорошо контролируемых лабораторных условиях. [ 19 ]
Криоконсервация у людей в связи с бесплодием включает сохранение эмбрионов, спермы или ооцитов путем замораживания. Зачатие in vitro предпринимается, когда сперма размораживается и вводится в «свежие» яйцеклетки, замороженные яйцеклетки размораживаются, сперма помещается вместе с яйцеклетками и вместе они помещаются обратно в матку, или в матку вводится замороженный эмбрион. матка. Витрификация имеет недостатки и не так надежна и проверена, как замораживание оплодотворенной спермы, яйцеклеток или эмбрионов, как традиционные методы медленного замораживания, поскольку сами по себе яйцеклетки чрезвычайно чувствительны к температуре. Многие исследователи также замораживают ткань яичников вместе с яйцеклетками в надежде, что ткань яичника можно будет трансплантировать обратно в матку, стимулируя нормальный цикл овуляции. В 2004 году Донне из Лувена в Бельгии сообщил о первых успешных родах из замороженной ткани яичника. В 1997 году образцы коры яичников были взяты у женщины с лимфомой Ходжкина и криоконсервированы в морозильной камере с регулируемой скоростью (Планер, Великобритания), а затем сохранены в жидком азоте. Химиотерапия была начата после того, как у пациентки произошла преждевременная недостаточность яичников. В 2003 году после замораживания-оттаивания методом лапароскопии была произведена ортотопическая аутотрансплантация кортикальной ткани яичника, и через пять месяцев признаки реимплантации свидетельствовали о восстановлении регулярных овуляторных циклов. Через одиннадцать месяцев после реимплантации была подтверждена жизнеспособная внутриматочная беременность, в результате которой родился первый живой ребенок – девочка по имени Тамара. [ 20 ]
Терапевтическая гипотермия , например, во время операции на сердце на «холодном» сердце (создаваемом холодной перфузией без образования льда), позволяет проводить гораздо более длительные операции и улучшает показатели выздоровления пациентов.
Научные общества
[ редактировать ]Общество криобиологии было основано в 1964 году с целью объединить представителей биологических, медицинских и физических наук, имеющих общий интерес к влиянию низких температур на биологические системы . По состоянию на 2007 год в Общество криобиологии входило около 280 членов со всего мира, половина из них проживала 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 осуществлении своей профессиональной деятельности. Общества Согласно уставу , в членстве может быть отказано заявителям, поведение которых считается наносящим ущерб Обществу; в 1982 году в устав были внесены поправки, исключающие «любую практику или применение замораживания умерших людей в ожидании их реанимации», несмотря на возражения некоторых членов, которые были крионистами, таких как Джерри Лиф . [ 21 ] Общество организует ежегодное научное собрание, посвященное всем аспектам низкотемпературной биологии. Эта международная встреча предлагает возможности для презентации и обсуждения самых современных исследований в области криобиологии, а также 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. [ 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 виды организмов и составляющие их клетки, ткани и органы. По состоянию на 2006 год общество насчитывало около 130 членов (в основном из Великобритании и Европы) и проводит как минимум одно ежегодное общее собрание. В программу обычно входит как симпозиум по актуальной теме, так и сессия свободного общения по любому аспекту низкотемпературной биологии. Недавние симпозиумы включали долгосрочную стабильность, сохранение водных организмов, криоконсервацию эмбрионов и гамет , сохранение растений, низкотемпературную микроскопию , витрификацию (образование стекла в водных системах при охлаждении), лиофилизацию и хранение тканей . Члены информируются через информационный бюллетень Общества, который в настоящее время публикуется три раза в год.
Журналы
[ редактировать ]Криобиология (издатель: Elsevier ) — ведущее научное издание в этой области, ежегодно публикуется около 60 рецензируемых статей. Статьи касаются любого аспекта низкотемпературной биологии и медицины (например, замораживание, лиофилизация , гибернация, холодоустойчивость и адаптация, криозащитные соединения, медицинское применение пониженной температуры, криохирургия, гипотермия и перфузия органов).
Cryo Letters — это независимый британский журнал быстрой коммуникации, который публикует статьи о влиянии низких температур на широкий спектр биофизических и биологических процессов , а также исследования, в которых используются низкотемпературные методы при исследовании биологических и экологических тем.
Biopreservation and Biobanking (ранее Cell Preservation Technology) — рецензируемый ежеквартальный научный журнал, издаваемый Mary Ann Liebert, Inc., посвященный разнообразному спектру технологий консервации, включая криоконсервацию , сухое состояние ( ангидробиоз ), стекловидное состояние и гипотермическое хранение. . Cell Preservation Technology была переименована в Biopreservation and Biobanking и является официальным журналом Международного общества биологических и экологических хранилищ.
«Проблемы криобиологии и криомедицины» (ранее «Криобиология» (1985–1990) и «Проблемы криобиологии» (1991–2012)), издаваемые Институтом проблем криобиологии и криомедицины. Журнал охватывает все темы, связанные с низкотемпературной биологией, медициной и техникой. [ 24 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Маки Л.Р., Галян Э.Л., Чанг-Чиен М.М., Колдуэлл Д.Р. (1974). «Зародышеобразование льда, вызванное Pseudomonas syringae» . Прикладная микробиология . 28 (3): 456–459. doi : 10.1128/aem.28.3.456-459.1974 . ЧВК 186742 . ПМИД 4371331 .
- ^ Захариассен К.Е., Кристиансен Э. (2000). «Зародышеобразование и антинуклеация льда в природе». Криобиология . 41 (4): 257–279. дои : 10.1006/cryo.2000.2289 . ПМИД 11222024 .
- ^ «Наблюдение за безопасностью пищевых продуктов» . Архивировано из оригинала 29 июля 2013 г. Проверено 12 сентября 2013 г.
- ^ Кулус, Д. Управление генетическими ресурсами растений с использованием хранения при низких и сверхнизких температурах: пример томата. Biodivers Conserv 28, 1003–1027 (2019). https://doi.org/10.1007/s10531-019-01710-1
- ^ Кавиани Б., Кулус Д., 2022. Криоконсервация находящихся под угрозой исчезновения декоративных растений и плодовых культур из тропических и субтропических регионов. Биология 11 (6): 847. https://doi.org/10.3390/biology11060847.
- ^ Розелл, Нед (30 мая 2009 г.). «Ученый обнаружил, что грибные комары переживают зиму в полузамороженном виде» . Анкоридж Дейли Ньюс . Архивировано из оригинала 23 сентября 2009 г.
- ^ Розелл, Нед (17 октября 2007 г.). «Жуки Аляски выдерживают «неземные» температуры» . Аляскинский научный форум . Архивировано из оригинала 17 января 2010 г. Проверено 26 октября 2009 г.
- ^ Киль, Кэти. «Lithobates sylvaticus (Деревянная лягушка)» . Сеть разнообразия животных .
- ^ Фарентхольд, Дэвид А. (14 декабря 2004 г.). «Ищем в замороженных лягушках ключ к улучшению медицины человека» . The Washington Post через The Seattle Times . Архивировано из оригинала 14 декабря 2004 г.
- ^ «Документ без названия» . Архивировано из оригинала 28 декабря 2008 г. Проверено 27 октября 2009 г.
- ^ «МОРОЗОБЫЧНЫЕ ПОЗВОНОЧНЫЕ» . Архивировано из оригинала 27 июля 2009 г. Проверено 26 октября 2009 г.
- ^ «Криобиология» . www.units.miamioh.edu .
- ^ Барнс, Брайан М. (30 июня 1989 г.). «Предотвращение замерзания у млекопитающих: температура тела ниже 0 ° C в арктической спячке» (PDF) . Наука . 244 (4912): 1521–1616. Бибкод : 1989Sci...244.1593B . дои : 10.1126/science.2740905 . ПМИД 2740905 . Архивировано из оригинала (PDF) 16 декабря 2008 г. Проверено 23 ноября 2008 г.
- ^ К. Полдж, А.У. Смит, А.С. Паркс, Возрождение сперматозоидов. Эффективная витрификация и обезвоживание при низких температурах. Природа, 164 (1949), с. 666
- ^ Рэйсон Дж.К. (1973). «Влияние температурных фазовых изменений на кинетику дыхательных и других мембраносвязанных ферментных систем». Дж Биоэнергия . 4 (1): 285–309. дои : 10.1007/BF01516063 . ПМИД 4577759 . S2CID 198194950 .
- ^ Мюльбахер Ф, Лангер Ф, Миттермайер К (1999). «Решения для консервации трансплантатов». Процедура трансплантации . 31 (5): 2069–70. дои : 10.1016/S0041-1345(99)00265-1 . ПМИД 10455972 .
- ^ Мазур П. (1977). «Роль внутриклеточного замораживания в гибели клеток, охлажденных со сверхоптимальной скоростью». Криобиология . 14 (3): 251–72. дои : 10.1016/0011-2240(77)90175-4 . ПМИД 330113 .
- ^ Хант Си Джей, Армитидж С.Э., Пегг Д.Э. (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 . ПМИД 12623029 .
- ^ «Заморозка» . Тихоокеанский центр фертильности. 2010. Архивировано из оригинала 26 мая 2010 г. Проверено 28 февраля 2010 г.
- ^ «Живорождение после ортотопической трансплантации криоконсервированной ткани яичника» (PDF) . Дж. Донне, М.М. Долманс, Д. Демилль, П. Жадуль, К. Пирар, Дж. Сквиффлет, Б. Мартинес-Мадрид, А. Ван Лангендонкт. 2004. Архивировано из оригинала (PDF) 8 августа 2016 г. Проверено 2 января 2015 г.
- ^ Дарвин, Майк (1991). «Холодная война: конфликт между крионистами и криобиологами» . Крионика . Фонд продления жизни Алькор . Проверено 24 августа 2009 г.
- ^ «Офицеры и губернаторы» . Общество криобиологии. Архивировано из оригинала 27 сентября 2006 г. Проверено 13 марта 2010 г.
- ^ ( Благотворительная комиссия Англии и Уэльса № 1099747)
- ^ «Проблемы криобиологии и криомедицины» . Проверено 28 мая 2022 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]