Evitare la formazione di cristalli di ghiaccio alle temperature estreme richieste da criopreservazione è fondamentale. I cristalli di ghiaccio possono distruggere le membrane cellulari e danneggiare l'integrità dell'organismo. Il modo migliore per evitare la formazione di ghiaccio è l'uso di crioprotettori.
I crioprotettori, agenti crioprotettivi o CPA sono un tipo di antigelo di grado medico che viene introdotto nel corpo attraverso un processo chiamato perfusione. Ciò consente la vetrificazione del corpo dopo un ulteriore raffreddamento, un processo fondamentale per un'alta qualità criopreservazione.
Trovare il giusto equilibrio di CPA è importante a causa dei loro diversi livelli di tossicità a determinate concentrazioni. I crionicisti perfezionano costantemente la miscela per ottenere il miglior criopreservazione con la minore tossicità possibile.
Questo articolo vi aiuterà a capire meglio cosa sono e come funzionano i crioprotettori.
Perché il congelamento viene evitato nella crionica
Il congelamento dell'acqua all'interno del corpo provoca due tipi di danni: meccanico e chimico. I ricercatori della crionica non sono fan di nessuno dei due. Il danno meccanico è la distorsione della struttura e della forma delle cellule causata dalla formazione di cristalli di ghiaccio. Questi cristalli di ghiaccio sono estremamente affilati e possono tagliare le membrane cellulari e gli altri tessuti circostanti. Vogliamo evitare a tutti i costi che questo accada durante il sito criopreservazione , perché altrimenti contribuirebbe alla morte cellulare.
Il danno chimico, invece, è causato dall'esclusione di molecole quando l'acqua si congela. Di solito, l'acqua all'interno di un organismo vivente fa parte di una soluzione composta da molti tipi di molecole diverse. Quando le molecole d'acqua si congelano, si cercano e formano una sostanza pura, allontanando tutte le altre molecole. Questo porta a un'alta concentrazione di soluti dannosi nell'acqua non congelata rimanente.
Per evitare ciò, vengono impiegati crioprotettori che a loro volta consentono la vetrificazione in criopreservazione. La vitrificazione è la trasformazione di una sostanza in uno stato amorfo simile al vetro; ciò avviene a circa -130°C, la cosiddetta temperatura di transizione vetrosa. I crioprotettori mantengono le molecole in posizione finché non avviene la vitrificazione, che aumenta notevolmente la sopravvivenza delle cellule rispetto al congelamento.
Cosa sono i crioprotettori?
I crioprotettori si comportano in modo simile ai prodotti chimici antigelo, come quelli che si aggiungono all'auto quando la temperatura esterna scende sotto lo zero. Si sciolgono nell'acqua e contribuiscono ad abbassarne il punto di congelamento. Tuttavia, i CPA sono una varietà specializzata di queste sostanze chimiche di grado medico.
I CPA ampiamente utilizzati sono glicerolo, glicole etilenico, glicole propilenico e dimetilsulfossido (DMSO). Tra questi CPA, esistono due classi principali di crioprotettori:
- CPA penetranti che impediscono la formazione di ghiaccio all'interno delle cellule, penetrando nella parete cellulare.
- CPA non penetranti che impediscono la formazione di ghiaccio all'esterno delle cellule.
I CPA penetranti vengono regolarmente utilizzati insieme ai CPA non penetranti perché il ghiaccio si forma più facilmente a livello extracellulare che intracellulare. In presenza di CPA non penetranti, i CPA penetranti non devono essere così concentrati. Questo aspetto è fondamentale per un'elevata qualità di criopreservazione , poiché più alta è la concentrazione di CPA penetranti, più tossica è la soluzione.
La tossicità dei crioprotettori
Le molecole d'acqua all'interno dell'organismo devono essere sostituite da molecole crioprotettrici per garantire la vitrificazione. Tuttavia, a concentrazioni più elevate, i CPA diventano sempre più tossici.
Il livello di tossicità dei CPA varia a seconda delle temperature. Per ridurre la tossicità durante la perfusione, le concentrazioni di CPA vengono aumentate a un ritmo lento, mentre le temperature nel corpo vengono abbassate. Ciò avviene perché i CPA somministrati a temperature prossime al congelamento hanno un livello di tossicità molto più basso rispetto alle stesse sostanze chimiche a temperature più calde.
I crioprotettori non sono tossici a temperature criogeniche. Diventano tossici solo al momento del riscaldamento. Ciò significa che al momento dell'eventuale rianimazione, i CPA devono essere rimossi con estrema rapidità per evitare la morte delle cellule. Questo pone un problema per il quale la tecnologia medica futura dovrà trovare una soluzione. Considerando gli attuali progressi in campo medico, siamo ottimisti sul fatto che la tecnologia futura possa trovare un modo per superare queste sfide e permettere di rianimazione dalla biostasi.
Cosa si può fare?
Gli scienziati sono consapevoli dei limiti degli agenti crioprotettivi e stanno lavorando attivamente per contrastare, minimizzare e infine eliminare la loro tossicità. Attualmente si possono fare alcune cose per ridurre la tossicità della CPA:
Combinazione di crioprotettori per ridurre la tossicità
La ricerca ha rilevato che i diversi CPA hanno livelli diversi di tossicità, a seconda della situazione in cui vengono utilizzati. Sappiamo che esistono alcune combinazioni di CPA che riducono la tossicità complessiva.
Gli scienziati stanno attualmente studiando le combinazioni ottimali di CPA.
Raffreddamento rapido per evitare la tossicità
Gli scienziati stanno cercando di trovare metodi di raffreddamento alternativi per criopreservazione. Un esempio è l'impiego di gas freddo per raffreddare organi animali per criopreservazione senza vitrificazione. I risultati hanno dimostrato che l'elio freddo ha raffreddato un rene di maiale fino a -180°C senza fratture e hanno suggerito che l'uso di 20 atmosfere di pressione potrebbe consentire tassi di raffreddamento significativamente più rapidi.
Un raffreddamento così rapido potrebbe ridurre il tempo di esposizione delle CPA. Ciò ridurrebbe quindi la tossicità, a patto che si evitino danni come lo shock da freddo.
Invertire la tossicità della CPA
Alcune CPA rilasciano sostanze chimiche che possono causare la morte cellulare. Introducendo degli inibitori nelle cellule riscaldate, questo fenomeno può essere evitato. Inoltre, la tossicità di alcune CPA può essere invertita con modifiche dell'espressione genica (ottenute con la nanotecnologia).
La speranza è che, con il miglioramento della nostra comprensione della tossicità dei crioprotettori, saremo in grado di contrastarne gli effetti in modo più efficace.
Conclusione
I crioprotettori, benché tossici a certe concentrazioni, svolgono un ruolo cruciale per criopreservazione di tutti i materiali biologici, dai tessuti, allo sperma, agli ovuli, agli organi e agli esseri umani. Anche le organizzazioni crioniche lo sanno. Per questo motivo, gli scienziati impegnati nella ricerca sulla biostasi studiano costantemente come migliorare i metodi attuali. Scoprire miscele migliorate di CPA con una minore tossicità è uno dei nostri obiettivi di ricerca e sviluppo all'indirizzo Tomorrow Bio. Siamo l'organizzazione crionica in più rapida crescita in Europa e il progresso della ricerca sulla biostasi è uno dei nostri obiettivi principali.
Con l'aumento delle conoscenze sul comportamento dei crioprotettori, saremo in grado di comprendere ed eliminare gli effetti dannosi che essi hanno sull'organismo. Una volta che i ricercatori avranno compreso questo aspetto, rianimazione dopo criopreservazione diventerà molto più probabile.
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