Исследователи разработали технологию быстрой разморозки криоконсервированной ткани
В некоторых научно-фантастических произведениях упоминается одна из возможностей путешествий в космосе на дальние расстояния. Аналогичный способ предлагают использовать и для «путешествий во времени»: человека замораживают, а через определенное время система запускает разморозку, и «путешественник» просыпается в далеком (или не очень) будущем. Аналогичная система «сна» есть и в реальности — некоторые компании предлагают безнадежно больным людям пройти процедуру криоконсервации для того, чтобы в будущем, когда ученые найдут способ лечить некогда неизлечимые болезни, человека разморозили и вылечили.
К сожалению, фантастика пока что остается фантастикой, а люди, которые воспользовались услугами указанных компаний, вряд ли когда будут разморожены и вылечены — уж слишком большой вред наносится клеткам тканей при заморозке, а еще больший — в ходе обратного процесса, нагревания. Для современных специалистов проблему составляет не криоконсервация, а размораживание. Тем не менее, сейчас стало известно о технологии, которая позволяет размораживать крупные фрагменты тканей без повреждения клеточной структуры. Это, конечно, не криосон для путешественника к далекой звезде, но отличный вариант для современной медицины. Этот способ открывает возможность хранить органы для трансплантации в течение долгого времени.
В целом, сама криоконсервация — не новый метод. Довольно давно разработаны и успешно применяются методы криоконсервации клеточных культур, тканей, так называемых эмбрионов. Но до последнего времени надежных методов «глубокой заморозки» отдельных органов не существовало. Случаев трансплантации замороженных и затем успешно размороженных органов — единицы, поскольку обычно речь идет о сохранении в замороженном органе отдельных участков живой ткани, которые приживаются в чужом организме и постепенно восстанавливают функциональность органа.
Рабочие температуры криоконсервации составляют порядка -196 °C. Капсулы с живой тканью помещаются в жидкий азот, что позволяет полностью остановить биохимические процессы в клетках, включая обмен веществ и энергии с внешней средой. В идеальном случае замороженная ткань может сохраняться очень долго, и если образец небольшой по объему, то его можно восстановить.
Работа команды ученых из Миннесоты, США, обещает изменить сферу трансплантации. Специалисты заявили о разработке новой техники, которая позволяет им замораживать образцы тканей и органов (в будущем) без повреждения клеток. «Впервые кто-то смог масштабировать метод криоконсервации на биологические системы, показав успешную быструю разморозку сохраненной ткани без ее повреждения», — заявил один из специалистов Миннесотского университета Джон Бишоф.
Вместо использования конвекции применяемой в общем случае для разморозки тканей, авторы проекта использовали наночастицы для разогрева тканей, с равным повышением температуры для всех участков. Причем повышение температуры при разморозке очень быстрое — более сотни градусов в минуту. В результате не образуются кристаллы льда, которые и повреждают клетки.
Источник: Manuchehrabadi et al., Science Translational Medicine (2017)
Для этого используются наночастицы оксида железа, покрытые кремнеземом. Их нагревают при помощи наведенного магнитного поля. Пока что объемы сохраняемых таким образом элементов ткани небольшие — от 1 до 50 мл. В опытах авторы проверяют свою технологию при помощи деления образцов на экспериментальную и контрольную группу. Экспериментальную группу замороженных тканей нагревают так, как и описано выше. Контрольную — обычным способом, с использованием конвекции. Ученые провели уже множество опытов, но образцы из экспериментальной группы ни разу не пострадали, в отличие от образцов контрольной группы.
Слева — ткань, размороженная при помощи новой методики. Справа, после красной черты — ткань, размороженная традиционным способом. Источник: Manuchehrabadi et al., Science Translational Medicine (2017)
После восстановления нормального температурного режима ученые выводят наночастицы из образца путем вымывания.
Методика была протестирована и при нагреве системы объемом в 80 мл, правда, на этот раз без ткани. Но, как оказалось, скорость нагрева такая же, как и в случае с системами меньших объемов, что можно считать одним из доказательств масштабируемости технологии. «Если коротко, то нанонагрев работает с образцами объемом 1 мл, 50 мл и может быть масштабирован для 80 мл систем», — говорится в публикации авторов разработки. По мнению ученых, в будущем нагрев при помощи наночастиц может быть применен к образцам гораздо большего объема, вплоть до 1 литра и более.
В этом случае наночастицы придется вводить внутрь образцов тканей и органов при помощи инъекции. Команда еще не пробовала свою методику в отношении образцов большего объема, хотя и планирует сделать это в ближайшем будущем.
Основные повреждающие факторы при замораживании живой ткани — образование внутриклеточного льда и обезвоживание клетки. Если охлаждение ведется с высокой скоростью, внутри клетки образуются кристаллы льда. А это, в свою очередь, влечет за собой увеличение внутреннего объема таких структур, как аппарат Гольджи, митохондрии, эндоплазматическая сеть, лизосомы, цитоплазматическая мембрана с их последующим разрушением. Что касается обезвоживания, то при охлаждении клетка теряет около 80–90% воды, что приводит к разрушению гидратированных комплексов с макромолекулами, после чего размороженная клетка не может нормально функционировать.
Сейчас ученые научились замораживать образцы тканей без повреждений. А вот разморозка — это проблема, решением которой занимаются ученые многих стран. Если этот вопрос удастся разрешить, медики получат возможность хранить замороженные органы и ткани в течение долгого времени.
