В некоторых научно-фантастических произведениях упоминается одна из возможностей путешествий в космосе на дальние расстояния. Аналогичный способ предлагают использовать и для «путешествий во времени»: человека замораживают, а через определенное время система запускает разморозку, и «путешественник» просыпается в далеком (или не очень) будущем. Аналогичная система «сна» есть и в реальности — некоторые компании предлагают безнадежно больным людям пройти процедуру криоконсервации для того, чтобы в будущем, когда ученые найдут способ лечить некогда неизлечимые болезни, человека разморозили и вылечили.
К сожалению, фантастика пока что остается фантастикой, а люди, которые воспользовались услугами указанных компаний, вряд ли когда будут разморожены и вылечены — уж слишком большой вред наносится клеткам тканей при заморозке, а еще больший — в ходе обратного процесса, нагревания. Для современных специалистов проблему составляет не криоконсервация, а размораживание. Тем не менее, сейчас стало известно о технологии, которая позволяет размораживать крупные фрагменты тканей без повреждения клеточной структуры. Это, конечно, не криосон для путешественника к далекой звезде, но отличный вариант для современной медицины. Этот способ открывает возможность хранить органы для трансплантации в течение долгого времени.
В целом, сама криоконсервация — не новый метод. Довольно давно разработаны и успешно применяются методы криоконсервации клеточных культур, тканей, так называемых эмбрионов. Но до последнего времени надежных методов «глубокой заморозки» отдельных органов не существовало. Случаев трансплантации замороженных и затем успешно размороженных органов — единицы, поскольку обычно речь идет о сохранении в замороженном органе отдельных участков живой ткани, которые приживаются в чужом организме и постепенно восстанавливают функциональность органа.
Рабочие температуры криоконсервации составляют порядка -196 °C. Капсулы с живой тканью помещаются в жидкий азот, что позволяет полностью остановить биохимические процессы в клетках, включая обмен веществ и энергии с внешней средой. В идеальном случае замороженная ткань может сохраняться очень долго, и если образец небольшой по объему, то его можно восстановить.
Работа команды ученых из Миннесоты, США, обещает изменить сферу трансплантации. Специалисты заявили о разработке новой техники, которая позволяет им замораживать образцы тканей и органов (в будущем) без повреждения клеток. «Впервые кто-то смог масштабировать метод криоконсервации на биологические системы, показав успешную быструю разморозку сохраненной ткани без ее повреждения», — заявил один из специалистов Миннесотского университета Джон Бишоф.
Вместо использования конвекции применяемой в общем случае для разморозки тканей, авторы проекта использовали наночастицы для разогрева тканей, с равным повышением температуры для всех участков. Причем повышение температуры при разморозке очень быстрое — более сотни градусов в минуту. В результате не образуются кристаллы льда, которые и повреждают клетки.
Источник: Manuchehrabadi et al., Science Translational Medicine (2017)
Для этого используются наночас��ицы оксида железа, покрытые кремнеземом. Их нагревают при помощи наведенного магнитного поля. Пока что объемы сохраняемых таким образом элементов ткани небольшие — от 1 до 50 мл. В опытах авторы проверяют свою технологию при помощи деления образцов на экспериментальную и контрольную группу. Экспериментальную группу замороженных тканей нагревают так, как и описано выше. Контрольную — обычным способом, с использованием конвекции. Ученые провели уже множество опытов, но образцы из экспериментальной группы ни разу не пострадали, в отличие от образцов контрольной группы.
Слева — ткань, размороженная при помощи новой методики. Справа, после красной черты — ткань, размороженная традиционным способом. Источник: Manuchehrabadi et al., Science Translational Medicine (2017)
После восстановления нормального температурного режима ученые выводят наночастицы из образца путем вымывания.
Методика была протестирована и при нагреве системы объемом в 80 мл, правда, на этот раз без ткани. Но, как оказалось, скорость нагрева такая же, как и в случае с системами меньших объемов, что можно считать одним из доказательств масштабируемости технологии. «Если коротко, то нанонагрев работает с образцами объемом 1 мл, 50 мл и может быть масштабирован для 80 мл систем», — говорится в публикации авторов разработки. По мнению ученых, в будущем нагрев при помощи наночастиц может быть применен к образцам гораздо большего объема, вплоть до 1 литра и более.
В этом случае наночастицы придется вводить внутрь образцов тканей и органов при помощи инъекции. Команда еще не пробовала свою методику в отношении образцов большего объема, хотя и планирует сделать это в ближайшем будущем.
Основные повреждающие факторы при замораживании живой ткани — образование внутриклеточного льда и обезвоживание клетки. Если охлаждение ведется с высокой скоростью, внутри клетки образуются кристаллы льда. А это, в свою очередь, влечет за собой увеличение внутреннего объема таких структур, как аппарат Гольджи, митохондрии, эндоплазматическая сеть, лизосомы, цитоплазматическая мембрана с их последующим разрушением. Что касается обезвоживания, то при охлаждении клетка теряет около 80-90% воды, что приводит к разрушению гидратированных комплексов с макромолекулами, после чего размороженная клетка не может нормально функционировать.
Сейчас ученые научились замораживать образцы тканей без повреждений. А вот разморозка — это проблема, решением которой занимаются ученые многих стран. Если этот вопрос удастся разрешить, медики получат возможность хранить замороженные органы и ткани в течение долгого времени.
