La criopreservazione è il processo di conservazione di cellule, tessuti e altri materiali biologici mediante il raffreddamento a temperature molto basse. Durante questo processo è fondamentale evitare la formazione di cristalli di ghiaccio, che distruggerebbero le membrane cellulari rendendole inutilizzabili. Per ridurre il rischio di formazione di cristalli di ghiaccio, si utilizzano agenti crioprotettori.

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Come funzionano gli agenti crioprotettivi?

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I crioprotettori, noti anche come agenti crioprotettivi crioprotettivi o CPA, sono un tipo di antigelo di grado medico introdotto attraverso un processo chiamato perfusione. Proteggono dalla formazione di ghiaccio e portano alla vetrificazione, ovvero alla trasformazione di una sostanza in uno stato amorfo simile al vetro. Attualmente, la criopreservazione viene utilizzata con successo per la conservazione delle cellule staminali, per le tecnologie di riproduzione assistita e persino per la preservazione di alcuni animali, piante e semi [4]. Tra i CPA attualmente più utilizzati ci sono il dimetilsolfossido (DMSO) e il glicole etilenico.  

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Sfortunatamente, entrambi questi agenti hanno una certa tossicità, per cui sarebbe necessario riparare ulteriori danni prima di riscaldare organismi cellulari complessi. La loro tossicità richiede inoltre che vengano somministrati a temperature prossime al congelamento.

Questo è uno dei motivi per cui la criopreservazione non può ancora essere utilizzata per la conservazione e la donazione di organi, e la rianimazione non è attualmente possibile. Eppure, il 60% ei cuori e dei polmoni dei donatori non viene utilizzato o trapiantato anche a causa del superamento dei tempi massimi di conservazione ipotermica e questo spreco potrebbe essere superato con la criopreservazione [1]. Uno dei principali ostacoli è il tempo insufficiente per far penetrare i CPA nelle cellule prima della loro tossicità.

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Una nuova entusiasmante ricerca pubblicata di recente sul Journal of Materials Chemistry B dimostra come i nuovi crioprotettori possano essere più efficaci nel caso di trapianti di organi. Il Dr. Saffron Bryant, a capo della ricerca, e il suo team della RMIT University hanno scoperto che l'uso di solventi eutettici profondi come crioprotettori riduce la tossicità e migliora i risultati delle soluzioni crioprotettrici sulla vitalità cellulare dopo lo scongelamento. È una delle prime e uniche volte che questa classe di solventi è stata testata sistematicamente per la criopreservazione di cellule mammifere [4].

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Cosa sono i solventi eutettici profondi?

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I solventi eutettici profondi (o DES Deep Eutectic Solvents) sono miscele di donatori e accettori di legami a idrogeno che hanno punti di fusione molto più bassi dei singoli componenti [2][3]. Combinano crioprotettori precedentemente studiati con altri componenti organici per alterare le strutture e la reattività delle cellule. Questo permette di mettere a punto le strutture chimiche per applicazioni uniche, senza rischi di tossicità.

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In questo studio è stata esaminata la capacità crioprotettiva di sei DES nei confronti di cellule mammifere, che comprendevano vari rapporti di miscele di galattosio (Gal) o glicerolo (Gly) con cloruro di colina (ChCl), betaina (Bet) o prolina (Prol) [4]. Ne sono stati testati la tossicità, il comportamento termico, la transizione vetrosa e, infine, la capacità crioprotettiva nei confronti di quattro diversi tipi di cellule umane, tra cui cellule della pelle e del cervello [4].

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Come i solventi eutettici profondi influenzano la criopreservazione

I risultati hanno dimostrato che la combinazione di prolina e glicerolo (Prol-Gly) era quasi altrettanto efficace del DMSO senza una riduzione significativa della vitalità cellulare dopo lo scongelamento, anche in caso di incubazione prolungata prima del congelamento [4].

I loro risultati supportano l'attuale pratica di combinare gli agenti crioprotettivi. Questi risultati evidenziano ulteriormente l'importanza di utilizzare sistemi multicomponente per ridurre la tossicità e migliorare la fattibilità a lungo termine della criopreservazione piuttosto che singoli agenti crioprotettivi.

Si tratta comunque di un'applicazione potenzialmente nuova che richiede ulteriori ricerche prima che i solventi eutettici profondi possano essere utilizzati per la criopreservazione di tessuti e organi. Questo studio, tuttavia, fornisce indicazioni sul potenziale di migliaia di nuovi agenti crioprotettori, che potrebbero portare a tecnologie e processi migliori e rivoluzionare il nostro modo di vedere la biostasi.

In particolare, questi risultati potrebbero portare all'ulteriore sviluppo di nuovi agenti crioprotettivi personalizzabili per colpire specifici tipi di cellule [4]. A tempo debito, ciò potrebbe portare a un'efficace conservazione degli organi e persino a progressi nel campo della criopreservazione e della rianimazione. 

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Conclusione

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Questa ricerca ha appena iniziato a esplorare l'effetto dei nuovi CPA sulle singole cellule. Se si considera l'organo (o l'organismo) nel suo complesso, il processo diventa molto più complicato. Questa applicazione potrebbe non essere adatta a risolvere del tutto i problemi legati alla criopreservazione umana, poiché i nuovi crioprotettori identificati nello studio sembrano avere un basso tasso di penetrazione (CPA non penetranti) rispetto ai CPA attualmente utilizzati. Tuttavia, i risultati forniscono interessanti implicazioni per il futuro della ricerca e dello sviluppo nel campo della crionica. 

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Riferimenti

[1] Manuchehrabadi, N., Gao, Z., Zhang, J., Ring, H. L., Shao, Q., Liu, F., McDermott, M., Fok, A., Rabin, Y., Brockbank, K. G. M., Garwood, M., Haynes, C. L., & Bischof, J. C. (2017, March 1). Improved tissue cryopreservation using inductive heating of magnetic nanoparticles. Science translational medicine. Retrieved July 13, 2022, from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5470364/ 

[2] Abbott, A. P., Capper, G., Davies, D. L., Rasheed, R. K., & Tambyrajah, V. (2002, November 26). Novel solvent properties of choline chloride/urea mixtures. Chemical Communications. Retrieved July 13, 2022, from https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2003/cc/b210714g 

[3] ​​Bryant, S. J., Christofferson, A. J., Greaves, T. L., McConville, C. F., Bryant, G., & Elbourne, A. (2021, October 29). Bulk and interfacial nanostructure and properties in deep eutectic solvents: Current perspectives and Future Directions. Journal of Colloid and Interface Science. Retrieved July 13, 2022, from https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021979721018415?via%3Dihub  

[4] Bryant, S. J., Awad, M. N., Elbourne, A., Christofferson, A. J., Martin, A. V., Meftahi, N., Drummond, C. J., Greaves, T. L., & Bryant, G. (2022, May 31). Deep eutectic solvents as cryoprotective agents for mammalian cells. Journal of Materials Chemistry B. Retrieved July 13, 2022, from https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TB/D2TB00573E