Криопротектор

Криопротектор биологической – это вещество, используемое для защиты 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 кролика почку до температуры -135°C с помощью своего запатентованного коктейля для витрификации. После согревания почка была успешно трансплантирована кролику с полной функциональностью и жизнеспособностью, способная поддерживать кролика в течение неопределенного времени в качестве единственной функционирующей почки. ^{[ 1 ]}

Механизм

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.

Температура стеклования

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 заменяет 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 .

Токсичность

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. использовались смеси криопротекторов Для витрификации (т.е. затвердевания без образования кристаллического льда) . Витрификация имеет важное применение при сохранении эмбрионов, биологических тканей и органов для трансплантации . Витрификация также используется в крионике , чтобы исключить повреждения от замерзания.

Общепринятый

Обычными криопротекторами являются гликоли ( спирты, содержащие по меньшей мере две гидроксильные группы), например этиленгликоль. ^{[ нужна 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 традиционным криопротектором. Глицерин и ДМСО десятилетиями использовались криобиологами для уменьшения образования льда в сперме . ^{[ 3 ]} ооциты , ^{[ 4 ]} и эмбрионы , консервированные при низких температурах в жидком азоте . Криоконсервация генетических ресурсов животных — это практика, в которой используются обычные 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.

Примеры в природе

Арктические рыбы используют белки-антифризы , иногда с добавлением сахаров, в качестве криопротекторов.

Насекомые

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 ]}

Земноводные

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 вырабатывают глицерин, в своей печени 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.

Консервация продуктов питания

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 сахарозы и фосфатов натрия водный раствор .

Общий

См. также

Ссылки

^ Фэхи ГМ; Вау Б; Паготан Р; Чанг А; и др. (2009). «Физические и биологические аспекты витрификации почек» . Органогенез . 5 (3): 167–175. дои : 10.4161/org.5.3.9974 . ПМК 2781097 . ПМИД 20046680 .
^ Бест, BP (2015). «Токсичность криопротекторов: факты, проблемы и вопросы» . Исследования омоложения . 18 (5): 422–436. дои : 10.1089/rej.2014.1656 . ПМК 4620521 . ПМИД 25826677 .
^ Имрат, П.; Сутанмапинант, П.; Сайхун, К.; Махасавангкул, С.; Состарик, Э.; Сомбутпутуторн, П.; Джанситтивате, С.; Тонгтип, Н.; и др. (февраль 2013 г.). «Влияние качества спермы перед замораживанием, разбавителя и криопротектора на качество спермы азиатского слона (Elephas maximus indicus) после оттаивания» (PDF) . Криобиология . 66 (1): 52–59. doi : 10.1016/j.cryobiol.2012.11.003 . hdl : 2263/42468 . ПМИД 23168056 .
^ Карлссон, Йенс О.М.; Шурек, Эдита А.; Хиггинс, Адам З.; Ли, Санг Р.; Эроглу, Али (февраль 2014 г.). «Оптимизация загрузки криопротекторов в ооциты мыши и человека» . Криобиология . 68 (1): 18–28. doi : 10.1016/j.cryobiol.2013.11.002 . ПМК 4036103 . ПМИД 24246951 .
^ Дж. Э. Штрассманн; Р.Э. Ли младший; Р. Р. Рохас и Дж. Г. Бауст (1984). «Кастовые и половые различия в холодоустойчивости социальных ос, Polistes annularis и P. exclamans». Социальные насекомые . 31 (3): 291–301. дои : 10.1007/BF02223613 . S2CID 39394207 .
^ Ларсон, диджей; Миддл, Л.; Ву, Х.; Чжан, В.; Серианни, А.С.; Думан, Дж.; Барнс, Б.М. (15 апреля 2014 г.). «Адаптация лесной лягушки к зимовке на Аляске: новые пределы устойчивости к замерзанию» . Журнал экспериментальной биологии . 217 (12): 2193–2200. дои : 10.1242/jeb.101931 . ПМИД 24737762 .

7. Урматских А.В. «Способ криоконсервации клеток, органов, тканей и организмов». RU 2804972 С2, 04.05.2022.

[KidVit-1] Фэхи ГМ; Вау Б; Паготан Р; Чанг А; и др. (2009). «Физические и биологические аспекты витрификации почек» . Органогенез . 5 (3): 167–175. дои : 10.4161/org.5.3.9974 . ПМК 2781097 . ПМИД 20046680 .

[pmid25826677-2] Бест, BP (2015). «Токсичность криопротекторов: факты, проблемы и вопросы» . Исследования омоложения . 18 (5): 422–436. дои : 10.1089/rej.2014.1656 . ПМК 4620521 . ПМИД 25826677 .

[3] Имрат, П.; Сутанмапинант, П.; Сайхун, К.; Махасавангкул, С.; Состарик, Э.; Сомбутпутуторн, П.; Джанситтивате, С.; Тонгтип, Н.; и др. (февраль 2013 г.). «Влияние качества спермы перед замораживанием, разбавителя и криопротектора на качество спермы азиатского слона (Elephas maximus indicus) после оттаивания» (PDF) . Криобиология . 66 (1): 52–59. doi : 10.1016/j.cryobiol.2012.11.003 . hdl : 2263/42468 . ПМИД 23168056 .

[4] Карлссон, Йенс О.М.; Шурек, Эдита А.; Хиггинс, Адам З.; Ли, Санг Р.; Эроглу, Али (февраль 2014 г.). «Оптимизация загрузки криопротекторов в ооциты мыши и человека» . Криобиология . 68 (1): 18–28. doi : 10.1016/j.cryobiol.2013.11.002 . ПМК 4036103 . ПМИД 24246951 .

[Caste_and_Sex-5] Дж. Э. Штрассманн; Р.Э. Ли младший; Р. Р. Рохас и Дж. Г. Бауст (1984). «Кастовые и половые различия в холодоустойчивости социальных ос, Polistes annularis и P. exclamans». Социальные насекомые . 31 (3): 291–301. дои : 10.1007/BF02223613 . S2CID 39394207 .

[6] Ларсон, диджей; Миддл, Л.; Ву, Х.; Чжан, В.; Серианни, А.С.; Думан, Дж.; Барнс, Б.М. (15 апреля 2014 г.). «Адаптация лесной лягушки к зимовке на Аляске: новые пределы устойчивости к замерзанию» . Журнал экспериментальной биологии . 217 (12): 2193–2200. дои : 10.1242/jeb.101931 . ПМИД 24737762 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]