Введение
Вещество, используемое для защиты биологической ткани от повреждений при замораживании.
Криопротектор – это вещество, используемое для защиты биологической ткани от повреждений, вызванных замораживанием (то есть из-за образования льда). Арктические и антарктические насекомые, рыбы и амфибии вырабатывают криопротекторы (антифризные соединения и антифризные белки) в своих телах, чтобы минимизировать повреждения от замерзания в холодные зимние периоды. Криопротекторы также используются для сохранения живых материалов в биологических исследованиях и для консервации пищевых продуктов. На протяжении многих лет глицерин использовался в криобиологии в качестве криопротектора для клеток крови и спермы быков, что позволяет хранить их в жидком азоте при температуре около -196 °C. Однако глицерин не подходит для защиты целых органов от повреждений. Вместо этого многие биотехнологические компании ведут исследования по разработке других криопротекторов, более подходящих для этих целей. Успешное открытие в конечном итоге может сделать возможным крупномасштабное криогенное хранение (или "банкинг") трансплантируемых человеческих и ксенобиотических органов. Значительный шаг в этом направлении уже сделан. Компания Twenty First Century Medicine витрифицировала кроличью почку до -135 °C, используя свой запатентованный состав для витрификации. После повторного нагрева почка была успешно пересажена кролику, сохранив полную функциональность и жизнеспособность, и смогла поддерживать жизнедеятельность кролика неограниченно долго, будучи единственной функционирующей почкой.
Механизм
Криопротекторы действуют, повышая концентрацию растворенных веществ в клетках. Однако, для сохранения биологической активности, они должны легко проникать внутрь клеток и не оказывать токсического воздействия.
Температура стеклообразования
Некоторые криопротекторы действуют, понижая температуру стеклования раствора или материала. Таким образом, криопротектор предотвращает фактическое замораживание, и раствор сохраняет некоторую гибкость в стекловидном состоянии. Многие криопротекторы также действуют, формируя водородные связи с биологическими молекулами по мере вытеснения молекул воды. Водородные связи в водных растворах важны для нормального функционирования белков и ДНК. Следовательно, когда криопротектор замещает молекулы воды, биологический материал сохраняет свою естественную физиологическую структуру и функцию, хотя он больше не находится в водной среде. Эта стратегия сохранения наиболее часто используется в ангидробиозе.
Токсичность
Смеси криопротекторов обладают меньшей токсичностью и большей эффективностью, чем криопротекторы, состоящие из одного компонента. Смесь формамида с ДМСО (диметилсульфоксидом), пропиленгликолем и коллоидом на протяжении многих лет была самым эффективным из всех искусственно созданных криопротекторов. Смеси криопротекторов применялись для витрификации (то есть для отвердевания без образования кристаллов льда). Витрификация имеет важное значение для сохранения эмбрионов, биологических тканей и органов для трансплантации. Витрификация также используется в крионике с целью минимизации повреждений, вызванных замораживанием.
Обычные
Обычные криопротекторы – это гликоли (спирты, содержащие не менее двух гидроксильных групп), такие как этиленгликоль, пропиленгликоль и глицерин. Этиленгликоль широко используется в качестве автомобильного антифриза, а пропиленгликоль – для снижения образования льда в мороженом. Диметилсульфоксид (ДМСО) также считается традиционным криопротектором. Глицерин и ДМСО на протяжении десятилетий используются криобиологами для уменьшения образования льда в сперме, яйцеклетках и эмбрионах, которые сохраняются в жидком азоте. Криоконсервация генетических ресурсов животных – это практика, включающая использование традиционных криопротекторов для хранения генетического материала с целью последующего восстановления. Трегалоза – это невосстанавливающий сахар, вырабатываемый дрожжами и насекомыми в больших количествах. Его применение в качестве криопротектора в коммерческих системах широко запатентовано.
Примеры в природе
Арктические рыбы используют антифризные белки, иногда модифицированные сахарами, в качестве криопротекторов.
Инсекты
В качестве криопротекторов насекомые чаще всего используют сахара или полиолы. Polistes exclamans (оса) – один из видов, использующих криопротектор. У этого вида различные уровни содержания криопротектора могут использоваться для различения морфологических форм.
Амфибии
Холодоадаптированные арктические лягушки, такие как древесные лягушки, и некоторые другие эктотермы в полярных и субполярных регионах естественным образом производят глюкозу, но южные коричневые древесные лягушки и арктические саламандры синтезируют глицерин в печени для снижения образования льда. Когда арктические лягушки используют глюкозу в качестве криопротектора, при низких температурах высвобождается огромное количество глюкозы, и специальная форма инсулина обеспечивает поступление этой избыточной глюкозы в клетки. При потеплении лягушки весной избыточную глюкозу необходимо быстро удалить и запасти.
Консервирование пищевых продуктов
Криопротекторы также используются для сохранения продуктов питания. Эти соединения обычно представляют собой сахара, которые недороги и не вызывают опасений по поводу токсичности. Например, многие (сырые) замороженные куриные продукты содержат раствор сахарозы и фосфатов натрия в воде.