Криоконсервация — сохранение клеток и тканей путем замораживания.
Криоконсервация основана на способности некоторых малых молекул проникать в клетки и предотвращать обезвоживание и образование внутриклеточных кристаллов льда, которые могут привести к гибели клеток и разрушению их органелл в процессе замораживания. Двумя распространенными криопротекторами являются диметилсульфоксид (ДМСО) и глицерин. Глицерин используется в основном для криозащиты эритроцитов, а ДМСО — для защиты большинства других клеток и тканей. Сахар под названием трегалоза, который встречается в организмах, способных пережить экстремальное обезвоживание, используется для криоконсервации методом сублимационной сушки. Трегалоза стабилизирует клеточные мембраны, и она особенно полезна для сохранения сперматозоидов, стволовых клеток и клеток крови.
В большинстве систем криоконсервации клеток используется морозильная камера с регулируемой скоростью. Такая система замораживания подает жидкий азот в закрытую камеру, в которую помещается клеточная суспензия. Тщательный контроль скорости замораживания помогает предотвратить быстрое обезвоживание клеток и образование кристаллов льда. Как правило, клетки замораживают при комнатной температуре примерно д о-90 °C (-130 °F) в морозильной камере с регулируемой скоростью. Затем замороженную клеточную суспензию переносят в морозильную камеру с жидким азотом, поддерживаемую при экстремально низких температурах с использованием азота в паровой или жидкой фазе. Криоконсервация, основанная на сублимационной сушке, не требует использования морозильных камер с жидким азотом.
Важным применением криоконсервации является замораживание и хранение гемопоэтических стволовых клеток, которые содержатся в костном мозге и периферической крови. При аутологичном спасении костного мозга гемопоэтические стволовые клетки собираются из костного мозга пациента до начала лечения высокодозной химиотерапией. После лечения криоконсервированные клетки пациента размораживают и вводят обратно в организм. Эта процедура необходима, поскольку высокодозная химиотерапия чрезвычайно токсична для костного мозга. Возможность криоконсервирования гемопоэтических стволовых клеток значительно улучшила результаты лечения некоторых лимфом и солидных злокачественных опухолей. В случае с пациентами с лейкемией их клетки крови являются раковыми и не могут быть использованы для аутологичного восстановления костного мозга. Поэтому такие пациенты пользуются криоконсервированной кровью, взятой из пуповины новорожденных, или криоконсервированными гемопоэтическими стволовыми клетками, полученными от доноров. С конца 1990-х годов было признано, что гемопоэтические стволовые клетки и мезенхимальные стволовые клетки (полученные из эмбриональной соединительной ткани) способны дифференцироваться в скелетные и сердечные мышечные ткани, нервные ткани и кости. Сегодня существует большой интерес к выращиванию этих клеток в системах культуры тканей, а также к криоконсервации этих клеток для будущей терапии широкого спектра заболеваний, включая нарушения нервной и мышечной систем, болезни печени и сердца.
Криоконсервация также используется для замораживания и хранения человеческих эмбрионов и спермы. Она особенно ценна для замораживания дополнительных эмбрионов, полученных в результате экстракорпорального оплодотворения (ЭКО). Пара может выбрать использование цироконсервированных эмбрионов для последующих беременностей или в случае, если ЭКО со свежими эмбрионами не удается. В процессе переноса замороженных эмбрионов эмбрионы размораживаются и имплантируются в матку женщины. Перенос замороженных эмбрионов связан с небольшим, но значительным увеличением риска развития детского рака у детей, рожденных от таких эмбрионов.
Глубокая гипотермия — одна из форм мягкой криоконсервации, применяемая у пациентов, — имеет широкое применение. Обычно глубокую гипотермию вводят при проведении сложных сердечно-сосудистых хирургических операций. После того как пациент переведен на полное сердечно-легочное шунтирование с помощью аппарата «сердце-легкие», кровь проходит через охлаждающую камеру. Контролируемое охлаждение пациента может достигать экстремально низких температур — около 10-14 °C (50-57 °F). Такое охлаждение эффективно останавливает всю мозговую деятельность и обеспечивает защиту всех жизненно важных органов. Когда достигнуто такое экстремальное охлаждение, аппарат «сердце-легкие» можно остановить, и хирург может исправить очень сложные дефекты аорты и сердца во время остановки кровообращения. В это время кровь в организме пациента не циркулирует. После завершения операции кровь постепенно нагревается в том же теплообменнике, который используется для охлаждения. Постепенное согревание до нормальной температуры тела приводит к возобновлению нормальных функций мозга и органов. Однако такая глубокая гипотермия далека от замораживания и длительного криоконсервирования.
При правильной заморозке клетки могут жить более десяти лет. Кроме того, некоторые ткани, такие как паращитовидные железы, вены, сердечные клапаны и ткани аорты, могут быть успешно подвергнуты криоконсервации. Замораживание также используется для хранения и поддержания долгосрочной жизнеспособности ранних человеческих эмбрионов, яйцеклеток и сперматозоидов. Процедуры замораживания этих тканей хорошо отработаны, и в присутствии криопротекторов ткани могут храниться в течение длительных периодов времени при температур е-14 °C (6,8 °F).
Исследования показали, что целые животные, замороженные в отсутствие криозащитных средств, могут давать жизнеспособные клетки, содержащие неповрежденную ДНК, после оттаивания. Например, ядра клеток мозга целых мышей, хранившихся при температур е-20 °C (-4 °F) более 15 лет, были использованы для получения линий эмбриональных стволовых клеток. Впоследствии эти клетки были использованы для получения клонов мыши.
