Криопротектора является веществом , используемым для защиты биологических тканей от замораживания повреждения (т.е. что из - за ледяной пласт). Арктические и антарктические насекомые , рыбы и земноводные создают в своих телах криопротекторы ( антифризы и протеины-антифризы ), чтобы минимизировать ущерб от замерзания 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 бычьей спермы, что позволяет хранить его при температурах жидкого азота . Однако глицерин нельзя использовать 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 «хранение») трансплантируемых человеческих и ксенобиотических органов. Существенный шаг в этом направлении уже сделан. Медицина XXI века витрифицировала кроличью почкудо -135 ° C с их запатентованным коктейлем для стеклования. После повторного согревания почка была успешно трансплантирована кролику с полной функциональностью и жизнеспособностью, способной поддерживать кролика в качестве единственной функционирующей почки на неопределенный срок. [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, а раствор сохраняет некоторую гибкость в стеклообразной фазе. Многие криопротекторы также функционируют, образуя водородные связи с биологическими молекулами по мере вытеснения молекул воды. Водородная связь в водных растворах важна для правильного функционирования белков и ДНК. Таким образом, поскольку криопротектор заменяет молекулы воды, биологический материал сохраняет свою естественную физиологическую структуру и функцию, хотя они больше не погружаются в водную среду. Эта стратегия сохранения чаще всего используется при ангидробиозе .
Токсичность
Смеси криопротекторов менее токсичны и более эффективны, чем однокомпонентные криопротекторы. [2] Смесь формамида с ДМСО ( диметилсульфоксид ), пропиленгликолем и коллоидом в течение многих лет была наиболее эффективной из всех искусственно созданных криопротекторов. Смеси криопротекторов использовались для стеклования (т. Е. Отверждения без образования кристаллического льда). Витрификация играет важную роль в сохранении эмбрионов, биологических тканей и органов для трансплантации . Витрификация также используется в крионике , чтобы предотвратить повреждение от замерзания.
Общепринятый
Обычными криопротекторами являются гликоли ( спирты, содержащие по крайней мере две гидроксильные группы), такие как этиленгликоль [ необходима цитата ] , 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, использовались в течение многих десятилетий криобиологов , чтобы уменьшить образование льда в сперме , [3] ооциты , [4] и эмбрионы , которые являются холодными сохранено в жидком азоте . Криоконсервация генетических ресурсов животных - это практика, при которой используются обычные криопротекторы для хранения генетического материала с целью его возрождения в будущем. Трегалоза - это невосстанавливающий сахар, который в больших количествах вырабатывается дрожжами и насекомыми. Его использование в качестве криопротектора в коммерческих системах широко запатентовано.
Примеры в природе
В качестве криопротекторов арктические рыбы используют протеины-антифризы , иногда с добавлением сахара.
Насекомые
В качестве криопротекторов насекомые чаще всего используют сахара или полиолы . Один из видов, который использует криопротектор, - это Polistes exclamans (оса). У этого вида для различения морфологии можно использовать разные уровни криопротектора. [5]
Амфибии
Холодоадаптированные арктические лягушки (например, древесная лягушка ) и некоторые другие эктотермные животные в полярных и приполярных областях , естественно , производят глюкозу , [6] , но южные коричневые лягушка дерева и арктические саламандры создают глицерин в их печени , чтобы уменьшить образование льда.
Когда арктические лягушки используют глюкозу в качестве криопротектора, при низкой температуре выделяется огромное количество глюкозы, а особая форма инсулина позволяет этой дополнительной глюкозе проникать в клетки. Когда лягушка согревается весной , лишняя глюкоза должна быть быстро выведена , но сохранена.
Консервация продуктов питания
Криопротекторы также используются для консервирования продуктов. Эти соединения, как правило, представляют собой недорогие сахара, не вызывающие опасений по поводу токсичности. Например, многие (сырые) замороженные куриные продукты содержат раствор сахарозы и фосфатов натрия в воде.
Общий
|
|
Смотрите также
- Антифриз протеин
- Криоконсервация генетических ресурсов животных
- Криоконсервация генетических ресурсов растений
- Криоконсервация
- Криостаз (клатрат-гидраты)
- Список новых технологий
- Лиофилизация
Рекомендации
- ^ Fahy GM; Wowk B; Pagotan R; Чанг А; и другие. (2009). «Физические и биологические аспекты витрификации почек» . Органогенез . 5 (3): 167–175. DOI : 10.4161 / org.5.3.9974 . PMC 2781097 . PMID 20046680 .
- ^ Бест, BP (2015). «Токсичность криопротекторов: факты, проблемы и вопросы» . Исследования омоложения . 18 (5): 422–436. DOI : 10,1089 / rej.2014.1656 . PMC 4620521 . PMID 25826677 .
- ^ Imrat, P .; Suthanmapinanth, P .; Сайхун, К .; Mahasawangkul, S .; Sostaric, E .; Sombutputorn, P .; Jansittiwate, S .; Thongtip, N .; и другие. (Февраль 2013). «Влияние качества спермы до замораживания, наполнителя и криопротектора на качество спермы азиатского слона (Elephas maximus indicus) после размораживания» (PDF) . Криобиология . 66 (1): 52–59. DOI : 10.1016 / j.cryobiol.2012.11.003 . hdl : 2263/42468 . PMID 23168056 .
- ^ Карлссон, Йенс О.М.; Szurek, Edyta A .; Хиггинс, Адам З .; Lee, Sang R .; 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 . PMC 4036103 . PMID 24246951 .
- ^ JE Strassmann; RE Lee Jr .; Р. Р. Рохас и Дж. Г. Бауст (1984). «Кастовые и половые различия холодостойкости социальных ос, Polistes annularis и P. exclamans». Insectes Sociaux . 31 (3): 291–301. DOI : 10.1007 / BF02223613 .
- ^ Ларсон, диджей; Средний, L .; Vu, H .; Zhang, W .; Serianni, AS; Duman, J .; Барнс, Б.М. (15 апреля 2014 г.). «Адаптация древесной лягушки к перезимованию на Аляске: новые пределы морозостойкости» . Журнал экспериментальной биологии . 217 (12): 2193–2200. DOI : 10,1242 / jeb.101931 . PMID 24737762 .