A krioprotektorok olyan anyagok , amelyek megvédik az élő tárgyakat a fagyás káros hatásaitól. A krioprotektorokat krioprezervációban használják - élő tárgyak alacsony hőmérsékletű tárolására (más szóval sejtkultúrák , vér, sperma , embriók, izolált szervek és egész biológiai tárgyak fagyasztásakor).
Az üvegezésnek fontos alkalmazásai vannak az embriók, biológiai szövetek és szervek transzplantációhoz való megőrzésében. Az üvegezést a krionikában is használják. fagykár elhárítására. Ezeknek az anyagoknak a fagyásvédő tulajdonságai abban állnak, hogy a fagyott tárgy üvegesedési hőmérsékletét az olvadáspont alá csökkentik. Így a fagyvédő szerek megakadályozzák a hatékony fagyasztást, és a rendszer megőrzi némi rugalmasságát az üveges fázisban, így amorf szilárd anyagként viselkedik, amely kristályok képződése nélkül megszilárdul, ami károsíthatja a mintát.
A biológiai minták esetében a károsodást elsősorban nem a jégkristályok okozzák (hiszen a sejtek belseje általában nem fagy le ilyen módon, ha egyáltalán nem fagy le), hanem az ozmotikus nyomás és az ionerősség változása (a sejt elektrolittartalma). folyadék). Fagyáskor az élő tárgyakat két káros tényező befolyásolja: az intracelluláris jégképződés és a kiszáradás . Az élő tárgyak krioprotektáns oldatokba való elhelyezése és ezekben az oldatokban történő fagyasztás csökkenti vagy teljesen megszünteti az intracelluláris jégképződést és a kiszáradást.
Számos fagyvédő szer úgy is működik, hogy a vízmolekulák helyettesítésekor hidrogénkötést hoz létre a biológiai molekulákkal. A vizes oldatokban a hidrogénkötés elengedhetetlen a fehérjék és a DNS megfelelő működéséhez. Ezért, amikor a krioprotektáns helyettesíti a vízmolekulákat, a biológiai anyag megőrzi természetes fiziológiai szerkezetét (és funkcióját), bár már nem merül el a vízi környezetben. Ilyen védelmi stratégiát nagyon gyakran látnak anhidrobiózisban .
Számos olyan anyag létezik, amelyek kriovédő tulajdonságokkal rendelkeznek, de az orvosi és laboratóriumi gyakorlatban legfeljebb egy tucat vegyületet használnak, amelyeket az alábbiakban sorolunk fel. Kétféle fagyvédő szer létezik: áthatoló és nem áthatoló.
A krioprotektánsok az oldott anyagok koncentrációjának növelésével fejtik ki hatásukat a sejtekben. Ahhoz azonban, hogy biológiailag kompatibilisek legyenek, (1) könnyen be kell hatolniuk a sejtekbe, és (2) magukra a sejtekre nézve nem mérgezőnek kell lenniük. Leolvasztás után az élő tárgyakat meg kell szabadítani a fagyvédő anyagoktól.
A biológiai fagyállók közé tartoznak az alacsony molekulatömegű vegyületek és a fagyállók. Különösen a sarkvidéki éghajlati élőlényekben találhatók meg. Kis molekulatömegű vegyületekként többek között glicerint , egyéb poliolokat , karbamidot és glükózt használnak. Ezek olyan vegyületek, amelyek könnyen hidrogénkötéseket képeznek a szomszédos vízmolekulákkal. A sejtmembránokba behatoló vegyületek megakadályozzák a jégkristályok növekedését. Ez csökkenti a sejtek belsejében a fagyási hőmérsékletet. Egyes esetekben a víz koncentrációja is csökken a sejtekben ( anhidrobiózis ).
A legtöbb fagyálló fehérje nem akadályozza meg a sejtplazma megfagyását, de kissé késlelteti azt. Hatásuk azon a tényen alapszik, hogy gátolják a jégkristályok növekedését és védik a már kialakult jégkristályokat, amelyek kristályosító magokként működhetnek . Ennek eredményeként a keletkező kristályok kicsik maradnak, a jég finomszemcsés lesz, és még akkor sem tudja elpusztítani a sejtszerkezeteket, ha megfagy. Felolvasztás után a sejt visszanyeri normál működését.
A fagyálló fehérjék (AFP-k) bizonyos gerincesek, növények, gombák és baktériumok által termelt polipeptidek egy osztályába tartoznak, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy túléljenek negatív környezetben. Ezek a fehérjék kis jégkristályokhoz kötődnek, és megakadályozzák azok növekedését és átkristályosodását, ami egyébként végzetes lenne. Egyre több bizonyíték van arra is, hogy az AFP-k kölcsönhatásba lépnek az emlőssejtek sejtmembránjaival, hogy megvédjék azokat a hideg okozta károsodástól.
A fagyálló fehérjék nem csökkentik a fagyáspontot a koncentráció arányában. Inkább nem kolligatív módon dolgoznak [1] . Ez lehetővé teszi, hogy fagyállóként működjenek más oldott anyagok 1/300-1/500 koncentrációjában, és ezt követően minimalizálják az ozmózisnyomásra gyakorolt hatásukat. Ezeket a szokatlan képességeket annak tulajdonítják, hogy képesek kötődni a jégkristályok bizonyos felületeihez.
A fagyálló fehérjék különbséget hoznak létre a jég olvadáspontja és a víz fagyáspontja között, amelyet termikus hiszterézisnek neveznek . Az AFP fehérjék hozzáadása a jég és a folyékony víz határfelületén gátolja a jégkristályok termodinamikailag kedvező növekedését. A kristálynövekedést kinetikailag gátolja az AFP, amely bevonja a víz számára hozzáférhető jégkristályok felületét.
Az iparban legelterjedtebb fagyvédő szerek a különböző glikolok, azaz a polihidroxoalkoholok ( etilénglikol , propilénglikol , glicerin ). Az etilénglikol a téli autók hűtőfolyadékainak összetevője, a propilénglikolt pedig néha a jégkrémben lévő jégkristályok mennyiségének csökkentésére és simább textúra előállítására használják. Egy másik népszerű fagyvédő szer a dimetil-szulfoxid és a glicerin, amelyet általában biológiai minták (spermiumok, embriók) védelmére használnak folyékony nitrogénben való tárolásuk során.
A krioprotektánsok hatékonyságának növelésére és a használatuk mellékhatásainak enyhítésére leggyakrabban ezek keverékeit használják. A formamid dimetil-szulfoxiddal, propilénglikollal és a megfelelő kolloiddal alkotott keveréke régóta a leghatékonyabb mesterségesen előállított fagyvédő szer.
A vitrifikációt széles körben használják az embriók és petesejtek mélyhűtésére szolgáló módszerként . Az említett üvegesedést nagyon gyors hűtéssel érik el, melynek során olyan erősen koncentrált oldatot használnak, amely nem kristályosodik ki fagyasztáskor, így viszkozitása a hőmérséklet csökkenésével nő, amíg amorf szilárd anyag nem képződik. A hőmérséklet-csökkenés sebessége eléri a 23000°C/perc értéket. A nagy sebességű nagy hőmérsékletváltozás eléréséhez minimális közepes térfogatot (kevesebb, mint 0,1 mikrolitert) és -196°C-on folyékony nitrogént használnak.. Az expozíciós és a fagyasztási sebességnek elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy elkerülje a toxicitást és az intracelluláris képződést. kristályok, amelyek károsíthatják a sejttartalmat. A nagyon gyors kiszáradás elérése érdekében a krioprotektánsokat magas koncentrációban alkalmazzák. A fagyasztás/olvadás sebessége közvetve arányos a fagyvédő szerek koncentrációjával. Fagyasztás előtt a biológiai anyagot ezzel a fagyvédő oldattal (alacsonyabb koncentrációban) ki kell egyensúlyozni, hogy az ozmotikus sokknak ellenálljon. A minták túlélési aránya meghaladja a 90%-ot, és az embriók általában érintetlenül élnek túl.
Miután a vitrifikációt a laboratóriumban finoman beállították, a túlélési arány meghaladja a 90%-ot, függetlenül a minta típusától. Az embriók általában épségben maradnak életben (100% blastomerek). Ez a módszer embriók és petesejtek esetében egyaránt hasznos, spermiumok esetében azonban nem. Extrém sebességre van szükség a devitrifikációs (olvasztás) folyamat során, amikor a mintát eltávolítják a folyékony nitrogénből, és 37 °C-on a közepébe vezetik. Egyes tanulmányok hangsúlyozzák, hogy ez a felolvasztási sebesség fontosabb lehet, mint a fagyasztási sebesség a magas túlélési arány eléréséhez. mélyhűtött petesejtek.
| Krionika | |
|---|---|
| Fogalmak | |
| Emberek | |
| Szervezetek | |
| Kapcsolódó témák | |
| " Cryonics " kategória | |