Кіріспе
Биологияның саласы
Криобиология – Жердің криосферасында немесе ғылымда тірі организмдерге төмен температураның тигізетін әсерін зерттейтін биология саласы. Криобиология сөзі грек тіліндегі κρῧος [kryos] – "суық", βίος [bios] – "өмір" және λόγος [logos] – "сөз" деген сөздерден туындаған. Криобиологияның практикалық мағынасы – биологиялық материалдар мен жүйелерді қалыпты температурадан төменде зерттеу. Зерттеу нысандары ақуыздар, жасушалар, тіндер, мүшелер немесе толық организмдер болуы мүмкін. Температура орташа гипотермиялық жағдайлардан криогендік температураларға дейін ауытқуы мүмкін.
Cryobiology is the branch of biology that studies the effects of low temperatures on living things within Earth's cryosphere or in science. The word cryobiology is derived from the Greek words κρῧος [kryos], "cold", βίος [bios], "life", and λόγος [logos], "word". In practice, cryobiology is the study of biological material or systems at temperatures below normal. Materials or systems studied may include proteins, cells, tissues, organs, or whole organisms. Temperatures may range from moderately hypothermic conditions to cryogenic temperatures.
Зерттеу салалары
Криобиологияның кем дегенде алты негізгі саласын анықтауға болады: 1) микроорганизмдердің, өсімдіктердің (қарға төзімділігі) және жануарлардың, омыртқасыздардың және омыртқалылардың (қысқы ұйқыны қоса алғанда) суыққа бейімделуін зерттеу; 2) жануарлар мен адамнан алынған жасушаларды, тіндерді, гаметаларды және эмбриондарды ұзақ мерзімді сақтау мақсатында (медициналық) қолданыс үшін суыту арқылы мұздату. Бұл әдетте жасушаларды мұздату және еріту кезінде қорғайтын заттарды (криопротекторлар) қосуды қажет етеді; 3) трансплантация үшін гипотермиялық жағдайларда органдарды сақтау; 4) фармацевтикалық препараттарды лиофилизациялау (мұздатып кептіру); 5) криохирургия – криогендік газдар/сұйықтықтарды пайдалана отырып, дені сау емес тіндерді жоюға арналған (минималды) инвазивті тәсіл; және 6) биологиялық жүйелерге қолданылатын суперсауыту физикасы, мұз ядросының/өсуі және салқындату мен қыздыру кезіндегі жылу алмасудың механикалық инженериялық аспектілері. Криобиологияға крионика да кіреді, ол адамдар мен сүтқоректілерді болашақта қайта тірілту ниетімен төмен температурада сақтауды қамтиды, бірақ бұл негізгі криобиологияның бөлігі емес және әлі ойлап табылмаған технологияға үлкен тәуелділікте. Осы зерттеу салаларының бірнешесі криогеникаға негізделген, ол физика мен инженерлік ғылымның өте төмен температураны өндіру және қолдануын зерттейтін саласы.
Табиғаттағы криоконсервациялау
Көптеген тірі организмдер судың қату температурасынан төмен температурада ұзақ уақытқа төтеп бере алады. Көптеген тірі организмдер мұздың өткір кристалдарынан болатын зақымданудан қорғану үшін антинуклеациялық ақуыздар, полиолдар және глюкоза сияқты криопротектанттарды жинақтайды. Көптеген өсімдіктер, әсіресе, -4 °C-тан -12 °C-қа дейінгі температураға қауіпсіздікпен жете алады.
Бактериялар
Бактериялардың үш түрі – Carnobacterium pleistocenium, Chryseobacterium greenlandensis және Herminiimonas glaciei – мыңдаған жылдар бойы мұзда қатып қалғаннан кейін қайта тірілгені хабарланды. Кейбір бактериялар, әсіресе Pseudomonas syringae, мұздың түзілуін қамтамасыз ететін арнайы ақуыздарды өндіреді, оларды әртүрлі жемістер мен өсімдіктердің бетінде шамамен -2 °C температурада мұзды қалыптастыруға пайдаланады. Мұздату эпителийге зақым келтіреді және бактерияларға астыңғы өсімдік тіндеріндегі қоректік заттарға қол жеткізеді. Листерия 1,5 °C-қа дейін төмен температурада баяу өседі және мұздатылған тағамдарда біраз уақыт сақталады.
Өсімдіктер
Көптеген өсімдіктер қатаю процесінен өтеді, бұл оларға апталар бойы немесе айлар бойы 0 °C төмен температураны көтеруге мүмкіндік береді.
Омыртқасыздар
0 °C-тан төмен температурада тіршілік ететін нематодтарға Trichostrongylus colubriformis және Panagrolaimus davidi жатады. Жапон тақалжанының (Periplaneta japonica) нимфалары 6–8 °C температурада қысқа мерзімге тоңғанда тірі қалады. Қызыл жалпақ қабықты қоректісі (Cucujus clavipes) 150 °C-қа дейін тоңдырылғаннан кейін де тірі қала алады. Exechia nugatoria шырылдағы 50 °C температурада тоңдырылғаннан кейін де тірі қалады, бұл денеде мұз кристалдары пайда болатын, бірақ басында пайда болмайтын ерекше механизм арқасында мүмкін болады. Мұзға төзімді тағы бір қоректі – Upis ceramboides. Құрттардың қысқы экологиясы және антифриз ақуыздары туралы көріңіз. 273 °C-қа дейінгі температураға қысқа мерзімге төзімді тағы бір омыртқасыз жануар – су айдаһары. Нематода Haemonchus contortus личинкасы 196 °C температурада 44 апта тоңдырылғанда тірі қала алады.
Омыртқалы жануарлар
Ағаш бақасы (Rana sylvatica) қыста денесінің 45% дейін мұзға айналып қатып қалуы мүмкін. "Мұз кристалдары тері астында пайда болып, денедегі қаңқа бұлшықеттері арасында таралады. Қатып қалған кезде бақаның тыныс алуы, қан ағыны және жүрек соғуы тоқтатылады. Мұздың пайда болуына арнайы протеиндер мен глюкоза көмектеседі, олар жасуша ішінде мұздың түзілуіне және дегидратацияға жол бермейді". Ағаш бақасы 4 °C температурада қатып тұрғанда 11 күнге дейін тірі қала алады. 0 °C-тан төмен температурада тіршілік ететін басқа омыртқалы жануарларға боялған тасбақалар (Chrysemys picta), сұр ағаш бақалары (Hyla versicolor), моор бақалары (Rana arvalis), қорап тасбақалары (Terrapene carolina 48 сағат 2 °C), көктемгі шақырғыш (Pseudacris crucifer), дала жыландары (Thamnophis sirtalis 24 сағат 1,5 °C), хор бақасы (Pseudacris triseriata), Сібір саламандрасы (Salamandrella keyserlingii 24 сағат 15,3 °C), Еуропалық жалпақ тілді кесіртке (Lacerta vivipara) және Антарктида балықтары, мысалы, Pagothenia borchgrevinki жатады. Мұндай балықтардан алынған антифриз ақуыздары трансгендік өсімдіктерге қырысуға төзімділік беру үшін қолданылды. Қысқы ұйқыға кеткен Арктикалық жерсілтігінің ішкі температурасы -2,9 °C (26,8 °F) дейін төмендеуі мүмкін, ал іш температурасы үш аптадан астам уақыт бойы нөлден төмен деңгейде сақталады, бірақ бас және мойын температурасы 0 °C немесе одан жоғары болып қалады.
Тарихи негіздер
Криобиология тарихы ежелгі дәуірге дейін жетеді. 2500 жылға дейін Египетте төмен температура медицинада қолданылған. Гиппократ қан кету мен ісінуді тоқтату үшін суық қолдануды ұсынған. Қазіргі заманғы ғылымның дамуымен Роберт Бойль төмен температураның жануарларға тигізетін әсерін зерттеді. 1949 жылы Кристофер Полдж жетекшілік еткен ғалымдар тобы бұқа спермасын алғаш рет криоконсервациялады. Бұл бүгінгі таңда криоконсервацияның кеңінен қолданылуына әкелді, көптеген органдар, тіндер және жасушалар әдетте төмен температурада сақталады. Жүрек сияқты ірі органдар трансплантация үшін қысқа мерзімге ғана салқын, бірақ мұзды емес температурада сақталады және тасымалданады. Жасуша суспензиялары (қан және сперма сияқты) және жұқа тіндер кейде сұйық азот температурасында (криоконсервация) шексіз сақталуы мүмкін. Адам спермасы, жұмыртқалары және эмбриондары бедеулік зерттеулері мен емдеу кезінде әдетте сақталады. Бақыланатын жылдамдықпен және баяу мұздату – 1970 жылдардың басында пайда болған және 1984 жылы алғашқы рет адам эмбрионы мұздатылып тууына (Зо Лейланд) мүмкіндік берген, жақсы қалыптасқан әдістер. Содан бері, адам, жануар және жасуша биологиясы үшін биологиялық үлгілерді бағдарламаланатын қадамдарды немесе бақыланатын жылдамдықтарды пайдалана отырып мұздайтын машиналар бүкіл әлемде қолданылады – үлгіні жақсы сақтау үшін, оны терең мұздату немесе криоконсервациялау алдында «мұздату». Мұндай машиналар ауруханаларда, ветеринариялық практикаларда және зертханаларда жұмыртқаларды, теріні, қан өнімдерін, эмбриондарды, сперманы, дің жасушаларын және жалпы тіндерді сақтау үшін қолданылады. «Баяу мұздатылған» эмбриондардан туған балалардың саны шамамен 300 000-400 000, яғни ин витро ұрықтандыру арқылы туған 3 миллион баланың 20% құрайды. Австралиялық доктор Кристофер Чен 1986 жылы британдық бақыланатын жылдамдықпен мұздатылған жұмыртқаларды пайдаланып, әлемдегі алғашқы жүктілікті жариялады. Криохирургия (мұздың пайда болуы арқылы тіндердің қасақана жойылғандығы) Джеймс Арнотт 1845 жылы қатерлі ісікпен ауыратын науқасқа жасаған операцияда жүзеге асырылды.
Сақтау әдістері
Криобиология қолданбалы ғылым ретінде негізінен төмен температурада сақтаумен айналысады. Гипотермиялық сақтау әдетте 0 °C-тан жоғары, бірақ сүтқоректілердің қалыпты (32 °C-тан 37 °C-ға дейін) температурасынан төмен болады. Ал криоконсервация арқылы сақтау -80 °C-тан -196 °C-қа дейінгі температура диапазонында жүзеге асырылады. Органдар мен тіндер көбінесе гипотермиялық сақтау нысандары болып табылады, ал жеке жасушалар криоконсервацияланған ең көп таралған нысандар болып табылады. Гипотермиялық сақтаудағы эмпирикалық ереже бойынша, температураның әр 10 °C төмендеуі оттегінің тұтынуының 50% азаюымен сүйемелдейді. Гибернацияға түсетін жануарлар гипотермиямен байланысты метаболизмнің бұзылуын болдырмау үшін бейімделген механизмдерге ие болғанымен, трансплантацияға арналған гипотермиялық органдар мен тіндер ацидозға қарсы тұру, натрий сорғысының әрекетін баяулату және жасушаішілік кальцийдің артуын тежеу үшін арнайы сақтау ерітінділерін қажет етеді. Осы мақсатта Viaspan (Висконсин университетінің ерітіндісі), HTK және Celsior сияқты арнайы органдарды сақтауға арналған ерітінділер әзірленген. Бұл ерітінділерде бос радикалдардың зиянын азайту, ісінудің алдын алу, АТФ жоғалуын толықтыру және т.б. сияқты ингредиенттер бар. Жасушаларды криоконсервациялау американ криобиологы Питер Мазурдың «екі факторлық гипотезасына» негізделген, ол жасушаларды өте жылдам салқындату жасушаішілік мұздың пайда болуынан, ал өте баяу салқындату электролиттік улану немесе механикалық сығудан жасушаларды өлтіретінін айтады. Баяу салқындату кезінде мұз жасуша сыртында пайда болады, бұл судың осмостық жолмен жасушалардан шығуына және оларды дегидратациялауға әкеледі. Жасушаішілік мұз жасушалық мұздан гөрі әлдеқайда зиянды болуы мүмкін. Қызыл қан жасушалары үшін оңтайлы салқындату жылдамдығы өте жоғары (секундына шамамен 100 °C), ал бағаналық жасушалар үшін оңтайлы салқындату жылдамдығы өте баяу (минутына 1 °C). Жасушаларды мұзданудан қорғау үшін диметилсульфоксид және глицерин сияқты криопротекторлар қолданылады. Әртүрлі жасуша түрлері 10% диметилсульфоксидпен қорғалады. Криобиологтар криопротектор концентрациясын (мұздың пайда болуын және уыттылықты азайту) және салқындату жылдамдығын оңтайландыруға тырысады. Жасушалар сұйық азотқа батыру алдында -30 және -40 °C температураға дейін оңтайлы жылдамдықпен салқындатылуы мүмкін. Баяу салқындату әдістері жасушаларда аз мөлшерде ядролық агенттер бар екеніне, бірақ жасушаларда мұз түзілуін болдырмайтын табиғи шыныландыру заттары бар екеніне негізделген. Кейбір криобиологтар жасушаларды, тіндерді және органдарды сақтау үшін толық шыныландыруға (мұздың пайда болмауына) қол жеткізу үшін криопротекторлардың қоспаларын іздестіруде. Шыныландыру әдістері уыттылықты азайтатын криопротекторлардың қоспаларын табу қажеттілігімен қиындықтар тудырады.
been designed for this purpose. These solutions also contain ingredients to minimize damage by free radicals, prevent edema, compensate for ATP loss, etc. Cryopreservation of cells is guided by the "two factor hypothesis" of American cryobiologist Peter Mazur, which states that excessively rapid cooling kills cells by intracellular ice formation and excessively slow cooling kills cells by either electrolyte toxicity or mechanical crushing. During slow cooling, ice forms extracellularly, causing water to osmotically leave cells, thereby dehydrating them. Intracellular ice can be much more damaging than extracellular ice. For red blood cells, the optimum cooling rate is very rapid (nearly 100 °C per second), whereas for stem cells the optimum cooling rate is very slow (1 °C per minute). Cryoprotectants, such as dimethyl sulfoxide and glycerol, are used to protect cells from freezing. A variety of cell types are protected by 10% dimethyl sulfoxide. Cryobiologists attempt to optimize cryoprotectant concentration (minimizing both ice formation and toxicity) and cooling rate. Cells may be cooled at an optimum rate to a temperature between −30 and −40 °C before being plunged into liquid nitrogen. Slow cooling methods rely on the fact that cells contain few nucleating agents, but contain naturally occurring vitrifying substances that can prevent ice formation in cells that have been moderately dehydrated. Some cryobiologists are seeking mixtures of cryoprotectants for full vitrification (zero ice formation) in preservation of cells, tissues, and organs. Vitrification methods pose a challenge in the requirement to search for cryoprotectant mixtures that can minimize toxicity.
Адамда
Адам гаметалары және екі, төрт және сегіз жасушалы эмбриондар 196 °C температурада жақсы бақыланатын зертханалық жағдайларда 10 жылға дейін криоконсервацияланған кезде тірі қалуы мүмкін. Адамдардағы сүексіздікке қатысты криоконсервация эмбриондарды, сперматозоидтарды немесе ооциттерді мұздату арқылы сақтауды қамтиды. Ин витрода ұрықтану үшін сперматозоидтар ерітіліп, "жаңа" жұмыртқаларға енгізіледі, мұздатылған жұмыртқалар ерітіліп, сперматозоидтар жұмыртқалармен бірге жатырға қайта орналастырылады немесе мұздатылған эмбрион жатырға енгізіледі. Витрификацияның кемшіліктері бар және ол дәстүрлі баяу мұздату әдістерімен салыстырғанда ұрықтандырылған сперматозоидтарды, жұмыртқаларды немесе эмбриондарды мұздатудай сенімді және дәлелденген емес, себебі жұмыртқалар температураға өте сезімтал. Көптеген зерттеушілер жұмыртқалармен бірге жұмыртқалық тіндерді де мұздатып, осы жұмыртқалық тіндерді жатырға қайта отырғызу арқылы қалыпты етеккір циклын қалпына келтіруге үміттенеді. 2004 жылы Бельгиядағы Лувен қаласынан Доннез мұздатылған жұмыртқалық тінінен алғашқы сәтті туылу туралы хабарлады. 1997 жылы Ходжкин лимфомасы бар әйелден жұмыртқа қабығының үлгілері алынып, (Planer, Ұлыбритания) бақыланатын жылдамдықпен мұздату құрылғысында криоконсервацияланды, содан кейін сұйық азотқа сақталды. Химиотерапия науқаста ерте жұмыртқалық жеткіліксіздігі пайда болғаннан кейін басталды. 2003 жылы мұздатудан ерітуден кейін лапароскопия арқылы жұмыртқа қабығының тінін ортотоптық автотрансплантация жасалды және бес айдан кейін қайта имплантация белгілері тұрақты овуляциялық циклдардың қалпына келуін көрсетті. Имплантациядан кейін он бір ай өткен соң, жатыр ішіндегі жүктілік расталды, нәтижесінде бірінші тірі туылған бала – Тамара есімді қыз дүниеге келді. Терапиялық гипотермия, мысалы, жүрек операциясы кезінде "суық" жүрекке (мұз пайда болмайтын суық перфузия арқылы жасалған) операцияларды ұзартуға және науқастардың жазылу деңгейін жақсартуға мүмкіндік береді.
Ғылыми қоғамдар
Криобиология қоғамы 1964 жылы биологиялық, медициналық және физикалық ғылымдардағы төмен температураның биологиялық жүйелерге тигізетін әсеріне ортақ қызығушылық танытқан мамандарды біріктіру мақсатымен құрылды. 2007 жылғы мәліметтерге сәйкес, Криобиология қоғамының құрамында әлемнің түкпір-түкпірінен 280-ге жуық мүше болды, олардың жартысы АҚШ-та орналасқан. Қоғамның басты мақсаты – төмен температуралық биология саласындағы ғылыми зерттеулерді дамыту, осы сала бойынша ғылыми білімді жетілдіру, алған білімді адамзаттың игілігі үшін тарату және қолдану. Қоғам барлық мүшелерінен кәсіби қызметтерін атқару кезінде жоғары этикалық және ғылыми стандарттарды сақтауды талап етеді. Қоғамның жарғысына сәйкес, егер азаматтың мінез-құлқы Қоғамға зиян келтіретін болып табылса, оған мүшеліктан бас тартуға болады. 1982 жылы жарғыға түзету енгізіліп, "қайта жандандыру үмітінде қайтыс болған адамдарды мұздатудың кез келген тәжірибесі немесе қолданылуына" тыйым салынды. Бұл түзетуге кейбір мүшелер, оның ішінде крионикамен айналысатын Джерри Лиф сынды мамандар қарсылық білдірді. Қоғам жыл сайын төмен температуралық биологияның барлық салаларын қамтитын ғылыми конференция ұйымдастырады. Бұл халықаралық конференция криобиологиядағы соңғы зерттеулерді таныстыруға және талқылауға, сондай-ақ симпозиумдар мен семинарлар арқылы нақты мәселелерді қарастыруға мүмкіндік береді. Қоғам мүшелері "Жаңалықтар" бюллетені арқылы жаңалықтар мен алдағы шаралар туралы ақпарат алады. 2011–2012 жылдары Криобиология қоғамының президенті Джон Х. Кроу болды. Төмен температуралық биология қоғамы 1964 жылы құрылып, 2003 жылы төмен температураның барлық тірі организмдерге, олардың жасушаларына, тіндеріне және мүшелеріне тигізетін әсерін зерттеуді қолдау мақсатымен тіркелген қайырымдылық ұйымы мәртебесін алды. 2006 жылғы мәліметтерге сәйкес, қоғамда 130-ға жуық мүше (көбінесе британдық және еуропалық) бар және жыл сайын кем дегенде бір рет жалпы жиналыс өткізіледі. Бағдарламаға әдетте өзекті тақырыпқа арналған симпозиум және төмен температуралық биологияның кез келген саласы бойынша еркін баяндамалар сессиясы кіреді. Соңғы симпозиумдарда ұзақ мерзімді тұрақтылық, су организмдерін сақтау, эмбриондар мен гаметаларды криоконсервациялау, өсімдіктерді сақтау, төмен температурадағы микроскопия, шынылану (салқындату кезінде сулы жүйелерде шыны тәрізді құрылымның пайда болуы), мұздату арқылы кептіру және тіндерді сақтау тақырыптары қарастырылды. Мүшелер жылына үш рет жарық көретін "Қоғамның жаңалықтары" бюллетені арқылы ақпарат алады.
Журналдар
Криобиология (басып шығарушы: Elsevier) осы саладағы ең беделді ғылыми басылым болып табылады, және әр жыл сайын шамамен 60 рецензияланған мақала жарияланады. Мақалалар төмен температуралық биология мен медицинаның барлық аспектілерін қамтиды (мысалы, мұздату, лиофилизация, қыстама, суыққа төзімділік және бейімделу, криоқорғағыш заттар, төмен температураны медицинада қолдану, криохирургия, гипотермия және органдарды перфузиялау). Cryo Letters – Ұлыбританиядағы тәуелсіз, жылдам жарияланымдар журналы, ол төмен температураның биофизикалық және биологиялық процестерге тигізетін әсері туралы, сондай-ақ биологиялық және экологиялық мәселелерді зерттеуде төмен температуралық техникаларды қолдану туралы мақалалар жариялайды. Биоконсервация және биобанкинг (бұрынғы Cell Preservation Technology) – Мэри Энн Либерт, Inc. басылымымен тоқсан сайын жарық көретін рецензияланған ғылыми журнал. Бұл журнал криоконсервация, құрғақ күйде сақтау (ангидробиоз), шыны тәрізді күйде сақтау және гипотермиялық сақтау сияқты сақтау технологияларының әртүрлі спектріне арналған. Cell Preservation Technology журналы Biopreservation and Biobanking деп қайта аталды және Халықаралық биологиялық және экологиялық репозиторийлер қоғамының ресми журналы болып табылады. Криобиология және криомедицина мәселелері (бұрынғы "Криобиология" (1985–1990) және "Криобиология мәселелері" (1991–2012)) – Криобиология және криомедицина мәселелері институтының басылымы. Журнал төмен температуралық биология, медицина және инженерия салаларына қатысты барлық тақырыптарды қамтиды.