Криогенная консервация биоматериалов

Биологический материал, такой как клетки, кровь, семя, яйцеклетки, ранние эмбрионы и образцы ткани, при обычных условиях подвержен изменениям и разрушению. Долгосрочная консервация этого биоматериала при температурах до порядка -80°C, достижимых с помощью обычного охлаждения циклическим хладагентом (то есть, грубо говоря, в морозильных камерах) давно доказала свою полную неэффективность. Критической температурой, известной также как температура стеклования T_g, для большей части человеческих биоматериалов является -130°C; при консервации образцов при температуре на 10...30°C ниже T_g образец может храниться неопределенное время при практически полном отсутствии следов разложения.

При современном уровне развития науки и технологий, наиболее надежным способом длительного хранения биоматериала является криогенная заморозка при помощи жидкого азота, имеющего, как известно, температуру кипения -196°C. Зародившись в 50х годах XX века, метод криопрезервации жидким азотом вначале основывался на мгновенной заморозке - однако, низкая выживамеость клеток в результате повреждения, как первичного от внутри- и внеклеточного образования льда, так и вторичного от обезвоживания клеток и повышения концентрации ионов, привела исследователей к выводу и низкой эффективности мгновенной заморозки. В результате, в фокусе оказалось развитие технологий контролируемого охлаждения, которые с довольно большим успехом и используются уже в течение десятилетий для хранения крови, семени, яйцеклеток и других биоматериалов. В наше время, с развитием технологий криозащиты защиты с помощью криопротекторов, мгновенная заморозка получила толчок к новому развитию.

Основные повреждения, которым подвержены клетки, происходят на этапе замораживания. Эти повреждения можно значительно уменьшить путем использования криопротекторов - однако, сами криопроекторы токсичны, кроме того, их эффективность не идеальна. Главными рисками при искусственной криогенной консервации клеточных образцов являются:

 Критическое повышение концентрации растворимых веществ. По мере того, как вода замерзает, растворенные в ней вещества остаются в жидкой ее фракции - соответственно, в ней повышается их концентрация. При этом, высокие концентрации некоторых веществ, растворенных в воде, присутствующей в живых клетках, могут нанести клетке необратимые повреждения.

 Внеклеточное образование льда. При медленном охлаждении тканей, вода перемещается из клетки в межклеточное пространство, где и образуется лед. В результате, лед, образовавшийся в межклеточном пространстве, механически повреждает клеточную мембрану.

 Обезвоживание, или дегидратация клетки имеет ту же причину, что и образование внеклеточного льда.

 Наконец, образование внутриклеточного льда. Бытует популярное мнение о том, что при криоконсервации клетка буквально разрывается из-за образования льда внутри нее и механического давления льда на клеточную мембрану (вода, как известно, при замерзании, превращаясь в лед, расширяется, то есть увеличивает свой объем - в противоположность большинству других веществ). На самом деле, повреждение клетки из-за образования внутриклеточного льда маловероятно, т.к. образование его может произойти только в том случае, если скорость охлаждения превышает осмотическую миграцию воды из клетки в межклеточное пространство - в последнем, как раз, при неприменении криопротекторов лед обычно и образуется. Однако, действительно, если все же допустить образование льда внутри клетки, то ее смерть будет практически гарантирована, как и при образовании внеклеточного льда.

На данное время, криоконсервация успешно применяется для длительной заморозки отдельных клеток, крови, семени, гистологических образцов. Пока недоступна ни искусственная криоконсервация целых органов, ни, тем более, организмов. Следует отметить, что в природе встречается успешная естественная самокриоконсервация такого представителя фауны, как Tardigrada (тихоходка, микроскопические беспозвоночные), способного выдерживать длительное нахождение даже при сверхнизких температурах межпланетного пространства. Некоторые виды лягушек, черепах и змей способны выдерживать зимнее замерзание с прекращением жизненных функций и последующим их восстановлением, однако не при столь низких температурах, необходимых для длительного хранения тканей, и не в течение длительного времени.

На практике, для длительной криоконсервации биологический материал помещается в специальный контейнер, охлаждаемый жидким азотом до температуры в диапазоне -150...-196°C. Образцы могут быть как погружены в жидкий азот, так и в газ, вапоризирующийся из жидкого азота.

«Прикладная криогеника^[*]. Бесперебойное электропитание с 1997 года.»

Пока еще, восстановление жизни человека после заморозки - из области фантастики.
Предполагается, однако, что, возможно, будущие технологии окажутся на это способны
- на это и надеялись подвергшие себя криогенной консервации люди.

^* sic! вероятно, авторы «Футурамы» специально назвали так эту фирму. На самом деле, скорее, правильнее было бы «крионика»