Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Криобиология - это 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» (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 целые организмы . Температуры могут варьироваться от умеренно гипотермических до криогенных .

Направления обучения [ править ]

Можно выделить по крайней мере шесть основных областей криобиологии: 1) изучение адаптации к холоду микроорганизмов , растений ( морозостойкость ) и животных, как беспозвоночных, так и позвоночных (включая гибернацию ), 2) криоконсервация клеток, тканей, гамет 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, защищающих клетки при замораживании и оттаивании ( криопротекторы ), 3) сохранение органов в гипотермических условиях длятрансплантация , 4) лиофилизация ( сублимационная сушка ) фармацевтических препаратов , 5) криохирургия , (минимально) инвазивный подход к разрушению нездоровой ткани с использованием криогенных газов / жидкостей и 6) физика переохлаждения , зародышеобразование / рост льда и аспекты машиностроения из теплопередачи во время охлаждения и нагревания, применительно к биологическим системам. Криобиология будет включать крионику- сохранение людей и млекопитающих при низких температурах с целью возрождения в будущем, хотя это не является частью основной криобиологии, в значительной степени зависящей от спекулятивных технологий, которые еще предстоит изобрести. Некоторые из этих областей исследования опираются на криогенику , раздел физики и техники , изучающий производство и использование очень низких температур .

Криоконсервация в природе [ править ]

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

Бактерии [ править ]

Сообщается , что три вида бактерий, Carnobacterium pleistocenium , Chryseobacterium greenlandensis и Herminiimonas glaciei , возродились после тысячелетнего выживания в замороженном состоянии. Некоторые бактерии, особенно Pseudomonas syringae , производят специализированные белки, которые служат мощными зародышеобразователями льда, которые они используют для образования 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] Листерии медленно растут при температуре до -1,5 ° C и некоторое время сохраняются в замороженных продуктах. [3]

Растения [ править ]

Многие растения проходят процесс, называемый закаливанием, который позволяет им выдерживать температуры ниже 0 ° C от недель до месяцев.

Животные [ править ]

Беспозвоночные [ править ]

Нематоды, которые выживают при температуре ниже 0 ° C, включают Trichostrongylus colubriformis и Panagrolaimus davidi . Нимфы тараканов ( Periplaneta japonica ) переживают короткие периоды замораживания при температуре от -6 до -8 ° C. Красный плоский короед ( Cucujus clavipes ) может выжить после замораживания до -150 ° C. [4] гриба комара Exechia nugatoria может выжить после замораживания до -50 ° C, с помощью уникального механизма , согласно которому кристаллы льда образуют в организме , но не головы. Еще один морозостойкий жук - Upis ceramboides . [5] См. Зимнюю экологию насекомых и протеин-антифриз.. Еще одно беспозвоночное, которое на короткое время устойчиво к температурам до -273 ° C, - тихоходка .

Личинки Haemonchus contortus , в нематод , может выжить 44 недель заморожены при температуре -196 ° C.

Позвоночные [ править ]

У лесной лягушки ( Rana sylvatica ) зимой до 45% ее 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, замороженных при -4 ° C.

Другие позвоночные животные, которые выживают при температуре тела ниже 0 ° C, включают окрашенных черепах ( Chrysemys picta ), серых древесных лягушек ( Hyla versicolor ), коробчатых черепах ( Terrapene carolina - 48 часов при -2 ° C), весеннего пера ( Pseudacris crucifer ), подвязки змеи ( Thamnophis sirtalis - 24 часа при -1,5 ° C), хоровая лягушка ( Pseudacris triseriata ), сибирская саламандра ( Salamandrella keyserlingii - 24 часа при -15,3 ° C), [8] обыкновенная ящерица ( Lacerta vivipara)) и антарктических рыб, таких как Pagothenia borchgrevinki . [9] [10] Антифризы, клонированные из таких рыб, были использованы для придания морозостойкости трансгенным растениям. [ необходима цитата ]

Спящие арктические суслики могут иметь температуру брюшной полости до -2,9 ° C (26,8 ° F), поддерживая отрицательную температуру брюшной полости более трех недель за раз, хотя температура на голове и шее остается на уровне 0 ° C или выше. [11]

Прикладная криобиология [ править ]

Историческая справка [ править ]

Бойл

История криобиологии восходит к глубокой древности. Еще в 2500 году до нашей эры низкие температуры использовались в Египте в медицине. Гиппократ рекомендовал применять холод, чтобы остановить кровотечение и опухоль. С появлением современной науки Роберт Бойль изучал влияние низких температур на животных.

В 1949 году группа ученых под руководством Кристофера Польджа впервые подвергла криоконсервации сперму быков . [12] 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 хранятся и транспортируются только на короткое время при прохладных, но не отрицательных температурах для трансплантации . Суспензии клеток (например, кровь и сперма) и срезы тонких тканей иногда можно хранить почти неограниченное время при температуре жидкого азота (криоконсервация ). Человеческие сперматозоиды, яйцеклетки и эмбрионы обычно хранятся в плодородии.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 контролируемых скоростей. во всем мире для человека, животных и клеточной биологии - «замораживание» образца, чтобы лучше сохранить 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, спермы, 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 оплодотворенных in vitroрождений. 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) была проведена Джеймсом Арноттом в 1845 году во время операции на больном раком. Криохирургия встречается нечасто. [ необходима цитата ]

Низкая температура банка, Институт проблем криобиологии и криомедицины в Национальной академии наук Украины

Техники сохранения [ править ]

Криобиология как прикладная наука в первую очередь занимается низкотемпературной консервацией. Гипотермическое хранение обычно составляет выше 0 ° C, но ниже нормотермических (от 32 ° C до 37 ° C) температур 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 потребления кислорода на 50% . [13] Хотя животные, находящиеся в спячке , адаптировали механизмы, позволяющие избежать метаболического дисбаланса, связанного с переохлаждением, переохлаждение органов и тканей, поддерживаемых для трансплантации, требует специальных консервационных растворов для противодействия ацидозу , пониженной активности натриевого насоса . и повышенный внутриклеточный кальций . Для этой цели были разработаны специальные растворы для сохранения органов, такие как Viaspan (раствор Университета Висконсина), HTK и Celsior. [14]Эти растворы также содержат ингредиенты, чтобы минимизировать повреждение свободными радикалами , предотвратить отек , компенсировать потерю АТФ и т. Д.

Криоконсервация клеток руководствуется «двухфакторной гипотезой» американского криобиолога Питера Мазура , который утверждает, что чрезмерно быстрое охлаждение убивает клетки за счет образования внутриклеточного льда, а чрезмерно медленное охлаждение убивает клетки либо из-за токсичности электролита, либо из-за механического дробления. [15] 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 (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% -ным диметилсульфоксидом. [16] Криобиологи пытаются оптимизировать концентрацию криопротекторов (минимизируя образование льда и токсичность) и скорость охлаждения. Элементы 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 небольшое количество зародышеобразователей , но содержат природные стекловидные вещества, которые могут предотвратить образование льда в умеренно обезвоженных клетках. Некоторые криобиологи ищут смеси криопротекторов для полной витрификации (без образования льда) для сохранения клеток, тканей и органов. Методы витрификации ставят задачу поиска смесей криопротекторов, которые могут минимизировать токсичность.

У людей [ править ]

Человеческие гаметы и двух-, четырех- и восьмиклеточные эмбрионы могут выдерживать криоконсервацию при -196 ° C в течение 10 лет в хорошо контролируемых лабораторных условиях. [17]

Криоконсервация у людей в отношении бесплодия включает сохранение эмбрионов, сперматозоидов 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, яйцеклеток или эмбрионов, как традиционные методы медленного замораживания, потому что 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 г. были взяты образцы коры яичников у женщины с синдромом Ходжкина.s лимфомы и криоконсервацию в морозильнике с контролируемой скоростью (Planer, UK), а затем хранят 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.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.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]

Терапевтическая гипотермия , например, во время операции на сердце на «холодном» сердце (вызванном перфузией холода без образования льда) позволяет проводить гораздо более длительные операции и улучшает показатели выздоровления пациентов.

Научные общества [ править ]

Общество криобиологии было основано в 1964 году , чтобы объединить те из биологических, медицинских и физических наук , которые имеют общий интерес к воздействию низких температур на биологических системах. По состоянию на 2007 год в Общество криобиологии входило около 280 членов со всего мира, половина из которых базируется в 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. Согласно уставу Обществав членстве может быть отказано заявителям, поведение которых считается наносящим ущерб Обществу; в 1982 г. в устав были внесены поправки, прямо исключающие «любую практику или применение замораживания умерших в ожидании их реанимации», несмотря на возражения некоторых членов, которые были крионистами, такими как Джерри Лиф . [19] Общество организует ежегодное научное собрание, посвященное 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, News Notes.. Президентом Общества криобиологии в 2011–2012 годах был Джон Х. Кроу. [20]

Общество низкотемпературной биологии было основано в 1964 году и стало зарегистрированной благотворительной организацией 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 по актуальной теме, так и сеанс бесплатного общения по любому аспекту низкотемпературной биологии. Недавние симпозиумы включали долгосрочную стабильность, сохранение водных организмов, криоконсервацию эмбрионов и гамет , сохранение растений, низкотемпературную микроскопию ,стеклование (стеклование водных систем во время охлаждения), сублимационная сушка и банки тканей . Члены информируются через информационный бюллетень общества, который в настоящее время издается три раза в год.

Журналы [ править ]

Криобиология (издатель: Elsevier ) является ведущим научным изданием в этой области, ежегодно публикуется около 60 рецензируемых статей. Статьи касаются любых аспектов низкотемпературной биологии и медицины (например, замораживание, сушка вымораживанием , гибернация, переносимость холода и адаптация, криопротекторы, медицинские применения пониженной температуры, криохирургия, гипотермия и перфузия органов).

Cryo Letters - это независимый британский журнал быстрой коммуникации, в котором публикуются статьи о влиянии низких температур на широкий спектр биофизических и биологических процессов или исследования, в которых используются низкотемпературные методы для изучения биологических и экологических тем.

Биоконсервация и биобанкинг (ранее Cell Preservation Technology) - это рецензируемый ежеквартальный научный журнал, публикуемый Mary Ann Liebert, Inc., посвященный разнообразному спектру технологий консервации, включая криоконсервацию , сухое состояние ( ангидробиоз ), а также поддержание в стеклянном и гипотермическом состоянии. . Cell Preservation Technology была переименована в Biopreservation and Biobanking и является официальным журналом Международного общества биологических и экологических хранилищ.

См. Также [ править ]

  • Криптобиоз

Ссылки [ править ]

  1. ^ Maki LR, Галян Е.Л., Chang-Chien MM, Caldwell DR (1974). «Зарождение льда, вызванное Pseudomonas syringae» . Прикладная микробиология . 28 (3): 456–459. DOI : 10.1128 / aem.28.3.456-459.1974 . PMC  186742 . PMID  4371331 .
  2. Перейти ↑ Zachariassen KE, Kristiansen E (2000). «Зарождение льда и антинуклеация в природе». Криобиология . 41 (4): 257–279. DOI : 10,1006 / cryo.2000.2289 . PMID 11222024 . 
  3. ^ "Наблюдение за безопасностью пищевых продуктов" . Архивировано из оригинала на 2013-07-29 . Проверено 12 сентября 2013 .
  4. ^ Ученый обнаружил, что грибные комары переживают зиму в полузамороженном виде | Аляскана | ADN.com архивации 2009-09-23 в Wayback Machine
  5. ^ «Жуки Аляски переживают« неземные »температуры» . Архивировано из оригинала на 2010-01-17 . Проверено 26 октября 2009 .
  6. ^ Kiehl, Кэти. «Lithobates sylvaticus (Древесная лягушка)» . Сеть разнообразия животных .
  7. ^ «Нация и мир - Глядя на замороженных лягушек в поисках подсказок для улучшения медицины человека - газета Сиэтл Таймс» .
  8. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2008-12-28 . Проверено 27 октября 2009 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  9. ^ "ftvert" . Архивировано из оригинала на 2009-07-27 . Проверено 26 октября 2009 .
  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 : 1989Sci ... 244.1593B . DOI : 10.1126 / science.2740905 . PMID 2740905 . Архивировано из оригинального (PDF) 16 декабря 2008 года . Проверено 23 ноября 2008 .  
  12. ^ К. Польдж, А.У. Смит, А.С. Паркс, Возрождение сперматозоидов Эффективное стеклование и обезвоживание при низких температурах Nature, 164 (1949), стр. 666
  13. ^ Raison JK (1973). «Влияние фазовых изменений, вызванных температурой, на кинетику дыхательных и других мембраносвязанных ферментных систем». J Bioenerg . 4 (1): 285–309. DOI : 10.1007 / BF01516063 . PMID 4577759 . S2CID 198194950 .  
  14. ^ Mühlbacher F, F Langer, Mittermayer C (1999). «Консервационные растворы для трансплантации». Transplant Proc . 31 (5): 2069–70. DOI : 10.1016 / S0041-1345 (99) 00265-1 . PMID 10455972 . 
  15. Перейти ↑ Mazur P (1977). «Роль внутриклеточного замораживания в гибели клеток, охлажденных с сверхоптимальной скоростью». Криобиология . 14 (3): 251–72. DOI : 10.1016 / 0011-2240 (77) 90175-4 . PMID 330113 . 
  16. ^ Hunt CJ, Armitage SE, Пегг DE (2003). «Криоконсервация пуповинной крови: 1. Осмотически неактивный объем, гидравлическая проводимость и проницаемость клеток CD34 (+) для диметилсульфоксида». Криобиология . 46 (1): 61–75. DOI : 10.1016 / S0011-2240 (02) 00180-3 . PMID 12623029 . 
  17. ^ "Замораживание" . Тихоокеанский центр фертильности. 2010 . Проверено 28 февраля 2010 .
  18. ^ «Живорождение после ортотопической трансплантации криоконсервированной ткани яичника» (PDF) . Дж. Доннес, М. М. Долманс, Д. Демилль, П. Джадул, С. Пирар, Дж. Сквиффлет, Б. Мартинес-Мадрид, А. Ван Лангендонкт. 2004 . Проверено 2 января 2015 .
  19. ^ Дарвин, Майк (1991). «Холодная война: конфликт между крионистами и криобиологами» . Крионика . Фонд Alcor Life Extension Foundation . Проверено 24 августа 2009 .
  20. ^ «Офицеры и губернаторы» . Общество криобиологии. Архивировано из оригинала на 2006-09-27 . Проверено 13 марта 2010 .
  21. ^ ( Комиссия по благотворительности Англии и Уэльса № 1099747)

Внешние ссылки [ править ]

  • Технология сохранения клеток
  • Клеточная криобиология и ангидробиология
  • Обзор науки, лежащей в основе криобиологии, в Science Creative Quarterly