Войти
Криобиология - это раздел биологии, изучающий влияние низких температур о живых существах в пределах криосферы 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. Исследуемые материалы или системы могут включать белки, клетки, ткани, органы или целые организмы. Температуры могут варьироваться от умеренно гипотермических условий до криогенных температур.
Можно выделить по крайней мере шесть основных областей криобиологии: 1) изучение адаптации к холоду микроорганизмов, растений (морозостойкости ), и животные, как беспозвоночные, так и позвоночные (включая гибернацию ), 2) криоконсервация 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 во время замораживания и оттаивания (криопротекторы ), 3) сохранение органов в гипотермических условиях для трансплантации, 4) лиофилизация (лиофилизация ) фармацевтических препаратов, 5) криохирургия, (минимально) инвазивный подход к разрушению нездоровой ткани с использованием криогенных газов / жидкостей и 6) физика переохлаждения, льда зародышеобразования / роста и инженерные аспекты теплопередачи во время охлаждения и нагревания применительно к биологическим системы. Криобиология будет включать крионику, низкотемпературное сохранение людей и млекопитающих с целью их 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 инженерное дело, изучающее производство и использование очень низких температур
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 морозом острыми кристаллами льда. В частности, большинство растений могут безопасно нагреваться до температуры от -4 ° C до -12 ° C.
Три вида бактерий: Carnobacterium pleistocenium, Chryseobacterium greenlandensis и Herminiimonas glaciei, как сообщается, возродились после того, как выжили тысячи лет, замороженные во льду. Некоторые бактерии, в частности, Pseudomonas syringae, продуцируют 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. Замораживание приводит к повреждению эпителия и делает питательные вещества в нижележащих растительных тканях доступными для бактерий. Listeria медленно растет при температурах до -1,5 ° C и сохраняется в течение некоторого времени в замороженных продуктах.
Многие растения проходят процесс, называемый закаливанием, который позволяет им выдерживать температуры ниже 0 ° C от недель до месяцев.
Нематоды, которые выживают при температуре ниже 0 ° C, включают Trichostrongylus colubriformis и Panagrolaimus davidi. Тараканы нимфы (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. грибной комар Exechia nugatoria может выжить после замораживания до -50 ° C благодаря уникальному механизму, при котором кристаллы льда образуются в теле, но не в голове. Другой морозоустойчивый жук - Upis ceramboides. См. зимняя экология насекомых и антифриз. Еще одно беспозвоночное, кратковременно устойчивое к температурам до -273 ° C, - это тихоходка.
. Личинки Haemonchus contortus, нематоды, могут выжить в замороженном состоянии в течение 44 недель. -196 ° С.
У древесной 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». 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 ), серых квакш (Hyla versicolor), коробчатых черепах. (Terrapene carolina - 48 часов при -2 ° C), весенний пипер (Pseudacris crucifer), подвязочные змеи (Thamnophis sirtalis - 24 часа при -1,5 ° C), хорусская лягушка (Pseudacris triseriata), сибирская саламандра (Salamandrella keyserlingii - 24 часа при -15,3 ° C), европейская обыкновенная ящерица (Lacerta vivipara ) и антарктических рыб, таких как Pagothenia borchgrevinki. Клонированные из таких рыб протеины-антифризы были использованы для придания морозоустойчивости трансгенным растениям.
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 в области головы и шеи остается на уровне 0 ° C или выше.
Бойль История криобиологии восходит к глубокой древности. Еще в 2500 году до нашей эры низкие температуры использовались в Египте в медицине. Гиппократ рекомендовал использовать холод, чтобы остановить кровотечение и опухоль. С появлением современной науки Роберт Бойль изучал влияние низких температур на животных.
В 1949 г. группа ученых под руководством Кристофера Польджа впервые заморозила сперму быка . Это привело к гораздо более широкому использованию криоконсервации сегодня, когда многие органы, ткани и клетки обычно хранятся при низких температурах.. Большие органы, такие как сердца, обычно хранятся и транспортируются только в течение короткого времени 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 рамках исследований и лечения фертильности. Контролируемая скорость и медленное замораживание - 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 использовались машины, которые замораживают биологические образцы с использованием программируемых шагов или контролируемых скоростей. 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 рождений, оплодотворенных in vitro. 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 посредством образования льда) была проведена Джеймсом Арноттом в 1845 г. при операции на больном раком. Криохирургия - редкость.
Низкотемпературный банк, Институт проблем криобиологии и криомедицины Национальной академии наук Украины Криобиология как прикладная наука в первую очередь занимается сохранением при низких температурах. Гипотермическая 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 состоит в том, что каждые 10 ° C снижение температуры сопровождается 50% снижением потребления кислорода. Хотя животные, находящиеся в спячке, адаптировали механизмы для предотвращения метаболического дисбаланса, связанного с гипотермией, гипотермические органы и ткани, поддерживаемые для трансплантации, требуют специальных консервационных растворов для борьбы с ацидозом, депрессией натриевый насос активность. и повышенный внутриклеточный кальций. Для этой цели были разработаны специальные растворы для консервации органов, такие как Viaspan (раствор Университета Висконсина), HTK и Celsior. Эти растворы также содержат ингредиенты, которые минимизируют повреждение свободными радикалами, предотвращают отек, компенсируют потерю АТФ и т. Д.
Криоконсервация клеток - это руководствуясь «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 электролитом токсичность или механическое раздавливание. 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 красных кровяных телец оптимальная скорость охлаждения очень высокая (почти 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 замораживания. Различные типы клеток защищены 10% -ным диметилсульфоксидом. 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.
Способы медленного охлаждения основаны на том факте, что клетки содержат мало зародышеобразователей, но содержат природные витрифицирующие вещества, которые могут предотвратить образование льда в умеренно обезвоженных клетках. Некоторые криобиологи ищут смеси криопротекторов для полной стеклования (без образования льда) для сохранения клеток, тканей и органов. Методы витрификации ставят задачу поиска смесей криопротекторов, которые могут минимизировать токсичность.
Человеческие гаметы и двух-, четырех- и восьмиклеточные эмбрионы могут выжить при криоконсервации при - 196 ° C в течение 10 лет в строго контролируемых лабораторных условиях.
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 яйцеклетки размораживают, сперму помещают вместе с яйцеклетками и вместе их помещают обратно в матку или замороженный эмбрион вводят в матку. матка. 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, что будет стимулировать нормальный цикл овуляции. В 2004 году Доннез из Лувена в Бельгии сообщил о первом успешном рождении яичника из замороженной ткани яичника. В 1997 году образцы коры яичника были взяты у женщины с лимфомой Ходжкина и заморожены в морозильнике 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 была подтверждена жизнеспособная внутриутробная беременность, в результате которой родился первый такой ребенок - девочка по имени Тамара.
Лечебная гипотермия, например во время операции на сердце на «холодном» сердце (генерируемом холодной перфузией без образования льда) позволяет проводить гораздо более длительные операции и улучшает показатели выздоровления пациентов.
Общество криобиологов было основано в 1964 году для объединения представителей биологических, медицинских и физических наук, имеющих общий интерес к воздействию низкие температуры биологических систем. 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. Согласно уставу Общества, в членстве может быть отказано заявителям, поведение которых считается наносящим ущерб Обществу; в 1982 году 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. 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.
Общество низкотемпературной биологии было основано в 1964 году и стало зарегистрированной благотворительной организацией в 2003 году с целью продвижения исследование 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 (стекло образование водных систем при охлаждении), сублимационная сушка и банкинг тканей. Члены информируются через информационный бюллетень общества, который в настоящее время издается три раза в год.
Криобиология (издатель: Elsevier ) - ведущее научное издание в этой области, ежегодно публикуется около 60 рецензируемых статей. Статьи касаются любых аспектов низкотемпературной биологии и медицины (например, замораживание, сублимационная сушка, гибернация, холодоустойчивость и адаптация, криопротекторы, медицинские применения пониженной температуры, криохирургия, гипотермия, и перфузия органов).
Cryo Letters - это независимый британский журнал по быстрым коммуникациям, в котором публикуются статьи о влиянии низких температур на широкий спектр биофизических и биологических процессов, а также исследования, в которых используются низкотемпературные методы исследования биологических и биологических процессов. экологическая тематика.
Biopreservation and Biobanking (ранее Cell Preservation Technology) - это рецензируемый ежеквартальный научный журнал, издаваемый Mary Ann Liebert, Inc. посвященный к разнообразному спектру технологий консервации, включая криоконсервацию, сухое состояние (ангидробиоз ) и стеклообразное состояние и поддержание в гипотермическом состоянии. Cell Preservation Technology была переименована в Biopreservation and Biobanking и является официальным журналом Международного общества биологических и экологических хранилищ.
 | На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Криобиологией. |
