Động vật có xương sống
Đối với ếch gỗ (Rana sylvatica), vào mùa đông, khoảng 45% cơ thể của nó có thể đóng băng và biến thành băng. “Các tinh thể băng hình thành dưới da và trở nên xen kẽ giữa các cơ xương của cơ thể Trong suốt quá trình đóng băng, hơi thở của ếch, lượng máu chảy ra và nhịp đập của tim ngừng lại, làm lạnh bằng các protein và gluco chuyên biệt, ngăn ngừa sự đóng băng và mất nước trong tế bào”. Ếch gỗ có thể tồn tại đến 11 ngày đông lạnh ở -4 ° C.
Các loài động vật có xương sống khác tồn tại ở nhiệt độ cơ thể dưới 0 ° C bao gồm rùa sơn (Chrysemys picta), ếch xám (Hyla versicolor), rùa hộp (Terrapene carolina – 48 giờ ở -2 ° C), xuân peeper (Pseudacris crucifer), garter rắn (Thamnophis sirtalis- 24 giờ ở -1.5 ° C), ếch đồng thanh (Pseudacris triseriata), săn bắt cá heo Siberi (Salamandrella keyserlingii – 24 giờ ở -15.3 ° C), loài thằn lằn châu Âu (Lacerta vivipara) và cá Nam Cực chẳng hạn như Pagothenia borchgrevinki Các protein chống đông đảo được nhân bản từ những con cá như vậy đã được sử dụng để tạo ra sự chống băng giá đối với thực vật biến đổi gen
Những chú sóc dưới mặt đất Bắc cực ở Hibernating có thể có nhiệt độ ở bụng thấp đến -2,9 ° C (26,8 ° F), duy trì nhiệt độ dưới bụng trong hơn ba tuần một lần, mặc dù nhiệt độ ở đầu và cổ vẫn ở 0 ° C trở lên.
Ứng dụng cryobiology
Bối cảnh lịch sử
Boyle
Lịch sử cryobiology có thể được truy nguồn từ thời cổ đại. Vào đầu năm 2500 TCN, nhiệt độ thấp được sử dụng ở Ai Cập trong y khoa. Việc sử dụng cảm lạnh đã được khuyến cáo bởi Hippocrates để ngăn chặn chảy máu và sưng. Với sự xuất hiện của khoa học hiện đại, Robert Boyle nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ thấp trên động vật.
Năm 1949, tinh tinh bò đã được bảo quản lạnh lần đầu tiên bởi một nhóm các nhà khoa học đứng đầu bởi Christopher Polge. Điều này đã dẫn tới việc sử dụng rộng rãi việc bảo quản lạnh ngày nay, với nhiều cơ quan, mô và tế bào thường được bảo quản ở nhiệt độ thấp. Các cơ quan lớn như trái tim thường được lưu trữ và vận chuyển, chỉ trong thời gian ngắn, ở nhiệt độ mát nhưng không đông để cấy ghép. Tế bào huyền phù (như máu và tinh) và mô mô mỏng đôi khi có thể được lưu trữ gần như vô hạn trong nhiệt độ ni tơ lỏng (bảo quản lạnh). Tinh trùng, trứng, phôi của người thường được bảo quản trong nghiên cứu và điều trị sinh sản. Việc kiểm soát tỷ lệ và tốc độ đông chậm là những kỹ thuật được thành lập từ đầu những năm 1970 cho phép con người sinh ra phôi người đầu tiên đông lạnh (Zoe Leyland) vào năm 1984. Kể từ đó, các máy móc đóng băng các mẫu sinh học sử dụng các bước lập trình được, trên thế giới về sinh học con người, động vật và tế bào – “làm lạnh” một mẫu để bảo tồn tốt hơn để tan rã cuối cùng, trước khi nó đông lạnh, hoặc bảo quản lạnh, trong ni tơ lỏng. Những máy này được sử dụng để đóng băng noãn bào, da, sản phẩm máu, phôi, tinh trùng, tế bào gốc, và bảo quản mô nói chung trong bệnh viện, thực hành thú y và phòng thí nghiệm nghiên cứu. Số lượng sinh sống từ phôi “chậm đông lạnh” khoảng từ 300.000 đến 400.000 hoặc 20% trong số ước tính 3 triệu trẻ sinh ra thụ tinh trong ống nghiệm. Tiến sĩ Christopher Chen, Úc, đã báo cáo lần sinh đầu tiên trên thế giới sử dụng các tế bào trứng đã đông lạnh từ tủ lạnh có kiểm soát của Anh năm 1986.
Phương pháp phẫu thuật lạnh (do tiêu hủy và tiêu hủy mô do sự hình thành băng) được thực hiện bởi James Arnott năm 1845 trong một cuộc phẫu thuật trên bệnh nhân ung thư. Phẫu thuật lạnh không phổ biến
Các kỹ thuật bảo quản
Cryobiology như một khoa học ứng dụng chủ yếu liên quan đến bảo quản ở nhiệt độ thấp. Lưu trữ nhiệt độ thường ở nhiệt độ trên 0 ° C nhưng ở nhiệt độ động vật có vú thấp hơn bình thường (32 ° C đến 37 ° C). Mặt khác, bảo quản bằng bảo quản lạnh sẽ ở khoảng nhiệt độ từ -80 đến -196 ° C. Các cơ quan, và các mô thường là các đối tượng lưu trữ hạ nhiệt, trong khi các tế bào đơn là các đối tượng phổ biến nhất được bảo quản lạnh.
Một nguyên tắc nhỏ trong lưu trữ hạ nhiệt là mỗi 10 ° C giảm nhiệt độ đi kèm với sự giảm 50% tiêu thụ oxy. Mặc dù các động vật ngủ đông đã áp dụng các cơ chế để tránh sự mất cân bằng trao đổi chất liên quan đến hạ thân nhiệt, các cơ quan hạ nhiệt và các mô được duy trì để cấy ghép đòi hỏi các giải pháp bảo quản đặc biệt để chống lại bệnh acidosis, và tăng canxi nội bào. Các giải pháp bảo quản cơ đặc biệt như Viaspan (Giải pháp Đại học Wisconsin), HTK và Celsior được thiết kế cho mục đích này. Các giải pháp này cũng chứa các thành phần để giảm thiểu thiệt hại do các gốc tự do, phòng ngừa phù nề, bù đắp cho sự mất mát của ATP, vv
Việc bảo quản lạnh các tế bào được định hướng bởi giả thuyết hai nhân của nhà sinh vật học sinh vật học người Mỹ Peter Mazur, cho thấy quá trình làm mát nhanh chóng giết chết các tế bào bằng sự hình thành băng nội bào và quá trình làm lạnh chậm làm chậm tế bào bằng điện phân hoặc nghiền cơ . Trong quá trình làm mát chậm, băng hình thành ngoại bào, gây ra nước để osmotically để lại các tế bào, do đó dehydrating chúng. Băng nội bào có thể gây hại nhiều hơn so với băng ngoài tế bào.
Đối với tế bào hồng cầu, tốc độ làm mát tối ưu rất nhanh (gần 100 ° C / giây), trong khi đối với tế bào gốc thì tốc độ làm mát tối ưu rất chậm (1 ° C / phút). Các chất chống ăn mòn, như dimethyl sulfoxide và glycerol, được sử dụng để bảo vệ các tế bào không bị đóng băng. Một loạt các loại tế bào được bảo vệ bởi 10% dimethyl sulfoxide. Các nhà sinh lý học sinh học cố gắng tối ưu hóa nồng độ bảo vệ lạnh (giảm thiểu sự hình thành băng và độc tính) và tốc độ làm mát. Các tế bào có thể được làm mát với tốc độ tối ưu ở nhiệt độ từ -30 đến -40 ° C trước khi bị nhúng vào nitơ lỏng.
Các phương pháp làm mát chậm dựa trên thực tế là các tế bào chứa ít chất nhân hoá, nhưng chứa các chất vitrifying tự nhiên có thể ngăn ngừa sự hình thành băng trong các tế bào bị mất nước vừa phải. Một số nhà sinh lý học đang tìm kiếm hỗn hợp các chất bảo vệ lạnh cho sự đông lạnh hoàn toàn (tạo thành bằng không băng) để bảo quản các tế bào, mô và các cơ quan. Các phương pháp thủy hoá tạo ra một thách thức trong yêu cầu tìm kiếm hỗn hợp bảo vệ lạnh có thể giảm thiểu độc tính