Kryokonzervace, ochrana buněk a tkání zmrazením.
Sir Ian Wilmut: Výzkum a výzkum kryokonzervace
Wilmut byl vychován v Coventry, městě v historickém anglickém kraji Warwickshire, a navštěvoval zemědělskou vysokou školu na univerzitě.
Kryokonzervace je založena na schopnosti určitých malých molekul proniknout do buněk a zabránit dehydrataci a tvorbě intracelulárních ledových krystalů, které mohou během zmrazování způsobit buněčnou smrt a destrukci buněčných organel. Dvě běžná kryoprotektivní činidla jsou dimethylsulfoxid (DMSO) a glycerol. Glycerol se používá primárně k kryoprotekci červených krvinek a DMSO se používá k ochraně většiny ostatních buněk a tkání. Cukr zvaný trehalóza, který se vyskytuje v organismech schopných přežít extrémní dehydrataci, se používá pro lyofilizační metody kryokonzervace. Trehalosa stabilizuje buněčné membrány a je zvláště užitečná pro zachování spermií, kmenových buněk a krevních buněk.
Většina systémů buněčné kryokonzervace používá mrazák s regulovanou rychlostí. Tento mrazicí systém dodává tekutý dusík do uzavřené komory, do které je umístěna buněčná suspenze. Pečlivé sledování rychlosti zmrazení pomáhá zabránit rychlé dehydrataci buněk a tvorbě ledových krystalů. Obecně jsou buňky odebírány z pokojové teploty do přibližně -90 ° C (-130 ° F) v mrazničce s regulovanou rychlostí. Zmrazená buněčná suspenze se poté přenese do mrazničky kapalina-dusík udržovaného při extrémně nízkých teplotách dusíkem buď v páře nebo v kapalné fázi. Kryokonzervace založená na lyofilizaci nevyžaduje použití mrazniček s kapalným dusíkem.
Důležitou aplikací kryokonzervace je zmrazení a skladování hematopoetických kmenových buněk, které se nacházejí v kostní dřeni a periferní krvi. Při autologní záchraně kostní dřeně se před léčbou vysokými dávkami chemoterapie odebírají hematopoetické kmenové buňky z kostní dřeně pacienta. Po ošetření jsou kryokonzervované buňky pacienta roztáté a infuze zpět do těla. Tento postup je nezbytný, protože vysokodávková chemoterapie je pro kostní dřeň velmi toxická. Schopnost kryokonzervovat hematopoetické kmenové buňky výrazně zvýšila výsledek léčby některých lymfomů a maligních nádorů solidního nádoru. V případě pacientů s leukémií jsou jejich krvinky rakovinné a nelze je použít k záchraně autologní kostní dřeně. V důsledku toho se tito pacienti spoléhají na kryokonzervovanou krev odebranou z pupečních šňůr novorozenců nebo na kryokonzervované hematopoetické kmenové buňky získané od dárců. Od konce 90. let bylo zjištěno, že hematopoetické kmenové buňky a mezenchymální kmenové buňky (odvozené z embryonální pojivové tkáně) jsou schopny rozlišit na tkáně kosterních a srdečních svalů, nervové tkáně a kosti. Dnes existuje intenzivní zájem o růst těchto buněk v systémech tkáňových kultur, jakož i o kryokonzervaci těchto buněk pro budoucí terapii pro celou řadu poruch, včetně poruch nervového a svalového systému a onemocnění jater a srdce.
Kryokonzervace se také používá k zmrazení a skladování lidských embryí a spermií. Je zvláště cenný pro zmrazení dalších embryí, která jsou vytvářena oplodněním in vitro (IVF). Pár se může rozhodnout, že pro pozdější těhotenství nebo v případě selhání IVF u čerstvých embryí bude používat cyropreservovaná embrya. V procesu přenosu zmrazených embryí jsou embrya rozmrazena a implantována do dělohy ženy. Zmrazený přenos embryí je spojen s malým, ale výrazným zvýšením rizika rakoviny dětí u dětí narozených z těchto embryí.
Hluboká podchlazení, forma mírné kryokonzervace používané u lidských pacientů, má významné aplikace. Běžným využitím indukce hluboké podchlazení je komplexní kardiovaskulární chirurgický výkon. Poté, co byl pacient umístěn na kompletní kardiopulmonální bypass, pomocí stroje na plicní srdce, krev prochází chladicí komorou. Řízené chlazení pacienta může dosáhnout extrémně nízkých teplot kolem 10–14 ° C (50–57 ° F). Toto množství chlazení účinně zastavuje veškerou mozkovou aktivitu a poskytuje ochranu všech životně důležitých orgánů. Po dosažení tohoto extrémního ochlazení může být stroj srdce a plic zastaven a chirurg může během zástavy oběhu opravit velmi složité aortální a srdeční vady. Během této doby v pacientovi cirkuluje žádná krev. Po ukončení operace se krev postupně zahřívá ve stejném tepelném výměníku použitém pro chlazení. Postupné zahřívání zpět na normální tělesné teploty vede k obnovení normálních funkcí mozku a orgánů. Tato hluboká podchlazení je však daleko od mrazu a dlouhodobé kryokonzervace.
Buňky mohou žít déle než deset let, pokud jsou správně zmrazené. Kromě toho mohou být některé tkáně, jako jsou příštítné tělísky, žíly, srdeční chlopně a aortální tkáň, úspěšně kryokonzervovány. Zmrazování se také používá k uchovávání a udržování dlouhodobé životaschopnosti časných lidských embryí, vajíček (vajíček) a spermií. Zmrazovací postupy používané pro tyto tkáně jsou dobře zavedeny a v přítomnosti kryoprotektivních činidel mohou být tkáně skladovány po dlouhou dobu při teplotách -14 ° C (6,8 ° F).
Výzkum ukázal, že celá zvířata zmrazená v nepřítomnosti kryoprotektivních činidel mohou po rozmrazení poskytnout životaschopné buňky obsahující intaktní DNA. Například jádra mozkových buněk z celých myší uložená při -20 ° C (-4 ° F) po dobu více než 15 let byla použita k vytvoření linií embryonálních kmenových buněk. Tyto buňky byly následně použity k produkci myších klonů.
