Κρυοσυντήρηση

Κρυοσυντήρηση, διατήρηση κυττάρων και ιστών με κατάψυξη.

Sir Ian Wilmut: Έρευνα για την εκπαίδευση και την κρυοσυντήρηση

Ο Wilmut μεγάλωσε στο Κόβεντρι, μια πόλη στην ιστορική αγγλική κομητεία του Warwickshire και παρακολούθησε το Agricultural College του Πανεπιστημίου

Η κρυοσυντήρηση βασίζεται στην ικανότητα ορισμένων μικρών μορίων να εισέρχονται στα κύτταρα και να αποτρέπουν την αφυδάτωση και το σχηματισμό ενδοκυτταρικών κρυστάλλων πάγου, οι οποίοι μπορούν να προκαλέσουν κυτταρικό θάνατο και καταστροφή των κυτταρικών οργανίων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατάψυξης. Δύο συνήθεις κρυοπροστατευτικοί παράγοντες είναι το διμεθυλοσουλφοξείδιο (DMSO) και η γλυκερόλη. Η γλυκερόλη χρησιμοποιείται κυρίως για την κρυοπροστασία των ερυθρών αιμοσφαιρίων και το DMSO χρησιμοποιείται για την προστασία των περισσότερων άλλων κυττάρων και ιστών. Ένα σάκχαρο που ονομάζεται τρεαλόζη, που εμφανίζεται σε οργανισμούς ικανούς να επιβιώσουν από την υπερβολική αφυδάτωση, χρησιμοποιείται για μεθόδους κρυοσυντήρησης με ξήρανση με κατάψυξη. Η τρεαλόζη σταθεροποιεί τις κυτταρικές μεμβράνες και είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη διατήρηση του σπέρματος, των βλαστικών κυττάρων και των κυττάρων του αίματος.

Τα περισσότερα συστήματα κυτταρικής κρυοσυντήρησης χρησιμοποιούν καταψύκτη ελεγχόμενου ρυθμού. Αυτό το σύστημα ψύξης παρέχει υγρό άζωτο σε κλειστό θάλαμο στον οποίο τοποθετείται το εναιώρημα κυψέλης. Η προσεκτική παρακολούθηση του ρυθμού κατάψυξης βοηθά στην πρόληψη της ταχείας κυτταρικής αφυδάτωσης και του σχηματισμού κρυστάλλων πάγου. Γενικά, τα κύτταρα λαμβάνονται από θερμοκρασία δωματίου έως περίπου −90 ° C (-130 ° F) σε καταψύκτη ελεγχόμενου ρυθμού. Το κατεψυγμένο κυτταρικό εναιώρημα στη συνέχεια μεταφέρεται σε καταψύκτη υγρού-αζώτου διατηρούμενο σε εξαιρετικά κρύες θερμοκρασίες με άζωτο είτε στον ατμό είτε στην υγρή φάση. Η κρυοσυντήρηση βάσει ξήρανσης με κατάψυξη δεν απαιτεί χρήση καταψυκτών υγρού αζώτου.

Μια σημαντική εφαρμογή της κρυοσυντήρησης είναι η κατάψυξη και η αποθήκευση αιμοποιητικών βλαστικών κυττάρων, τα οποία βρίσκονται στο μυελό των οστών και στο περιφερικό αίμα. Κατά την αυτόλογη διάσωση του μυελού των οστών, τα αιμοποιητικά βλαστικά κύτταρα συλλέγονται από τον μυελό των οστών ενός ασθενούς πριν από τη θεραπεία με χημειοθεραπεία υψηλής δόσης. Μετά τη θεραπεία, τα κρυοσυντηρημένα κύτταρα του ασθενούς αποψύχονται και εγχύονται πίσω στο σώμα. Αυτή η διαδικασία είναι απαραίτητη, καθώς η χημειοθεραπεία υψηλής δόσης είναι εξαιρετικά τοξική για τον μυελό των οστών. Η ικανότητα κρυοσυντήρησης αιμοποιητικών βλαστικών κυττάρων έχει βελτιώσει σημαντικά το αποτέλεσμα για τη θεραπεία ορισμένων λεμφωμάτων και κακοηθειών στερεών όγκων. Στην περίπτωση ασθενών με λευχαιμία, τα κύτταρα του αίματος τους είναι καρκινικά και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αυτόλογη διάσωση του μυελού των οστών. Ως αποτέλεσμα, αυτοί οι ασθενείς βασίζονται σε κρυοσυντηρημένο αίμα που συλλέγεται από τους ομφάλους λώρους των νεογέννητων βρεφών ή σε κρυοσυντηρημένα αιμοποιητικά βλαστικά κύτταρα που λαμβάνονται από δότες. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1990 έχει αναγνωριστεί ότι τα αιμοποιητικά βλαστικά κύτταρα και τα μεσεγχυματικά βλαστικά κύτταρα (που προέρχονται από εμβρυϊκό συνδετικό ιστό) είναι ικανά να διαφοροποιηθούν σε ιστούς σκελετικών και καρδιακών μυών, νευρικού ιστού και οστού. Σήμερα υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη αυτών των κυττάρων σε συστήματα καλλιέργειας ιστών, καθώς και για την κρυοσυντήρηση αυτών των κυττάρων για μελλοντική θεραπεία για μια ευρεία ποικιλία διαταραχών, συμπεριλαμβανομένων διαταραχών του νευρικού και μυϊκού συστήματος και ασθενειών του ήπατος και της καρδιάς.

Η κρυοσυντήρηση χρησιμοποιείται επίσης για να παγώσει και να αποθηκεύσει ανθρώπινα έμβρυα και σπέρμα. Είναι ιδιαίτερα πολύτιμο για την κατάψυξη επιπλέον εμβρύων που δημιουργούνται με in vitro γονιμοποίηση (IVF). Ένα ζευγάρι μπορεί να επιλέξει να χρησιμοποιήσει κυπροσυντηρημένα έμβρυα για μεταγενέστερες εγκυμοσύνες ή σε περίπτωση που η εξωσωματική γονιμοποίηση αποτύχει με φρέσκα έμβρυα. Κατά τη διαδικασία της κατεψυγμένης μεταφοράς εμβρύων, τα έμβρυα ξεπαγώνονται και εμφυτεύονται στη μήτρα της γυναίκας. Η παγωμένη μεταφορά εμβρύων σχετίζεται με μια μικρή αλλά σημαντική αύξηση του κινδύνου καρκίνου της παιδικής ηλικίας σε παιδιά που γεννιούνται από τέτοια έμβρυα.

Η βαθιά υποθερμία, μια μορφή ήπιας κρυοσυντήρησης που χρησιμοποιείται σε ανθρώπους ασθενείς, έχει σημαντικές εφαρμογές. Μια κοινή χρήση της επαγωγής βαθιάς υποθερμίας είναι για πολύπλοκες καρδιαγγειακές χειρουργικές επεμβάσεις. Αφού ο ασθενής τοποθετηθεί σε πλήρη καρδιοπνευμονική παράκαμψη, χρησιμοποιώντας μια μηχανή καρδιάς-πνεύμονα, το αίμα περνά μέσω ενός θαλάμου ψύξης. Η ελεγχόμενη ψύξη του ασθενούς μπορεί να φτάσει σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες περίπου 10–14 ° C (50–57 ° F). Αυτή η ποσότητα ψύξης σταματά αποτελεσματικά όλη την εγκεφαλική δραστηριότητα και παρέχει προστασία για όλα τα ζωτικά όργανα. Όταν επιτευχθεί αυτή η ακραία ψύξη, το μηχάνημα καρδιακού πνεύμονα μπορεί να σταματήσει και ο χειρουργός να διορθώσει πολύ περίπλοκα αορτικά και καρδιακά ελαττώματα κατά την κυκλοφορική διακοπή. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, δεν κυκλοφορεί αίμα στον ασθενή. Μετά την ολοκλήρωση της χειρουργικής επέμβασης, το αίμα θερμαίνεται σταδιακά στον ίδιο εναλλάκτη θερμότητας που χρησιμοποιείται για ψύξη. Η σταδιακή θέρμανση πίσω στις φυσιολογικές θερμοκρασίες του σώματος οδηγεί στην επανάληψη των φυσιολογικών λειτουργιών του εγκεφάλου και των οργάνων. Αυτή η βαθιά υποθερμία, ωστόσο, απέχει πολύ από την κατάψυξη και τη μακροπρόθεσμη κρυοσυντήρηση.

Τα κύτταρα μπορούν να ζήσουν περισσότερο από μια δεκαετία εάν καταψυχθούν σωστά. Επιπλέον, ορισμένοι ιστοί, όπως παραθυρεοειδείς αδένες, φλέβες, καρδιακές βαλβίδες και αορτικός ιστός, μπορούν να διατηρηθούν με επιτυχία σε κρυοσυντήρηση. Η κατάψυξη χρησιμοποιείται επίσης για την αποθήκευση και διατήρηση της μακροπρόθεσμης βιωσιμότητας των πρώιμων ανθρώπινων εμβρύων, ωαρίων (ωαρίων) και σπέρματος. Οι διαδικασίες κατάψυξης που χρησιμοποιούνται για αυτούς τους ιστούς είναι καθιερωμένες και, παρουσία κρυοπροστατευτικών παραγόντων, οι ιστοί μπορούν να αποθηκευτούν για μεγάλες χρονικές περιόδους σε θερμοκρασίες −14 ° C (6,8 ° F).

Η έρευνα έχει δείξει ότι ολόκληρα ζώα κατεψυγμένα απουσία κρυοπροστατευτικών παραγόντων μπορούν να αποδώσουν βιώσιμα κύτταρα που περιέχουν άθικτο DNA κατά την απόψυξη. Για παράδειγμα, πυρήνες εγκεφαλικών κυττάρων από ολόκληρα ποντίκια αποθηκευμένα στους -20 ° C (-4 ° F) για περισσότερο από 15 χρόνια έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία γραμμών εμβρυϊκών βλαστικών κυττάρων. Αυτά τα κύτταρα στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή κλώνων ποντικού.