Frostvæske fisk inspirerer til nye kryobeskyttelsesmidler til menneskelige celler og væv

Ideen om kryogenisk at fryse en person for at bevare deres krop indtil mange år ud i fremtiden har længe været en fast bestanddel af science fiction-historier. Imidlertid, behovet for pålideligt at opbevare biologiske materialer såsom celler eller væv er en fælles bekymring for videnskabelig forskning og, i stigende grad, også for samfundet.

Uanset om det er mørke, kvælende dybt hav eller skoldning, boblende termiske pools, livet finder en måde at kalde det hjem på. Så, det er ikke en overraskelse, at fisk, der lever i det iskaldt kolde vand i Arktis og Antarktis, kan give inspiration til en ny generation af kryobeskyttende molekyler.

Fisken, og andre ekstremofiler ved kold temperatur, producere proteiner, der kan genkende og binde sig til is, mens den dannes, fungerer som et frostvæske. Iskrystaller kan gøre meget skade på kroppen, fra at få proteiner til at klumpe sammen til at svække de strukturer, der holder væv sammen.

Dette fik professor Matthew Gibson ved Warwick University i Storbritannien til at forsøge at genskabe evnerne hos isbindende proteiner ved hjælp af syntetiske polymerer. Disse har den fordel, at de er nemmere at justere eller "tune" til at passe til deres formål og at fremstille i skala.

"Vi kan gøre det lidt mere justerbart, da du bogstaveligt talt har tusindvis af forskellige monomerer, du kan bruge til at lave en polymer, " sagde han. "Vores mål var, hvis vi kan efterligne nogle af disse egenskaber, at anvende disse for at forbedre eller ændre, hvordan vi fryser celler."

Gennem CRYOSTEM-projektet, Prof. Gibson testede disse polymerer ved at tilføje dem til prøver af knoglemarvsstamceller, som ofte fryses ned, når de transporteres til transplantation. Det nuværende system involverer tilsætning af opløsningsmidler for at beskytte cellerne, når de fryser. Imidlertid, det er ikke ideelt. En betydelig del af cellerne overlever ikke, og selve opløsningsmidlet kan påvirke dem.

Prof. Gibson har været i stand til at vise, at hans polymerer kan reducere mængden af ​​opløsningsmiddel, der er nødvendig til kryokonservering, reducerer skaden på cellerne. Denne tilgang kunne også hjælpe biomedicinsk forskning, giver videnskabsfolk mulighed for mere pålideligt at opbevare og optø et bredere udvalg af celler i laboratoriet.

Han udvider nu dette arbejde gennem ICE PACK-projektet for at anvende kryobeskyttende polymerer til det voksende område af biologiske behandlinger. Traditionelle lægemidler er typisk små molekyler, der kan sættes i tabletform og vil være stabile i medicinskabet i flere måneder. Nu, flere og flere af de moderne bedst sælgende lægemidler er proteiner, såsom antistoffer til behandling af gigt eller kræft, som skal opbevares meget mere omhyggeligt.

Endnu mere delikat er cellebaserede terapier som CAR T-celler, som er modificerede immunceller, der bruges til at behandle kræft. I øjeblikket, cellebaserede terapier er sjældne og meget dyre, men i fremtiden, de kan blive mere almindelige.

"De har en ret kompleks proces, hvor de indsamles fra donoren og derefter skal de modificeres, frysning og forsendelse, " sagde prof. Gibson. "Alt hvad du kan gøre for at sikre, at de er beskyttet bedst muligt, eller gør kølekæden nemmere, vil have en virkelig stor (effekt på) patientresultatet."

Den ultimative drøm

Zoom ud fra individuelle proteiner eller celler, og billedet bliver endnu mere kompliceret.

"Is kan dannes i og uden for cellen. Afhængigt af hvor isen dannes, det er forstyrrende for cellulære strukturer eller ekstracellulære strukturer - f.eks. den ekstracellulære matrix, hvori cellerne er indlejret, " sagde professor Ilja Voets ved Eindhoven University of Technology i Holland.

Udfordringen med at fryse prøver af væv er et andet område, hvor analoger af isbindende proteiner kunne hjælpe. Som en del af PROTECT-projektet, Prof. Voets er især interesseret i frysning og optøning af hjerteceller og væv. I øjeblikket, kun omkring halvdelen af ​​cellerne er anvendelige efter frysning, når man studerer kulturer i laboratoriet. Dette bliver endnu sværere, når man studerer vævsprøver.

"Typisk, konserveringsbetingelserne er optimale for én celletype (inden for hjertevævet), men ikke for de andre typer, eller ej for vævet som helhed, " sagde hun. Det er en stor udfordring, men de isbindende proteinanaloger behøver ikke at bevare vævet perfekt for at være nyttige. "Der er en meget stærk regenerativ evne i væv. Så i nogle tilfælde, hvis skaden er beskeden, så kan vævet reparere sig selv, og det kan stadig bruges."

Voets bruger mikroskopi med meget høj opløsning for at forstå, hvordan forskellige typer isbindende proteinanaloger er i stand til at forhindre isdannelse. Dette vil hjælpe med at skabe forbedrede versioner, der kan reducere fryseskader på væv.

Potentialet for pålideligt at banke dine egne vævsprøver, skal optøs, hvis det bliver nødvendigt i fremtiden, er "en af ​​de ultimative drømme, " sagde Voets.

"Sig, at nogen har et infarkt (et område med døde celler), du vil være i stand til at transplantere hjertevæv fra den meget specifikke patient, fordi du har banket det. Det vil være fantastisk, og det kan også mindske risikoen for afvisning. Der er mange ting, vi kunne vinde ved at kunne banke flere typer celler og væv."

Fremskridt inden for kryokonservering har allerede indflydelse på samfundet. Nogle virksomheder, mest i USA, tilbyde æg-frysning tjenester som en frynsegode til medarbejdere, der ønsker at udsætte at få et barn. Dette udskyder i det væsentlige beslutningstagningen om, hvordan man skal tilpasse de konkurrerende behov for professionel avancement og børnepasning, siger professor Thomas Lemke, fra Goethe-Universitetet i Tyskland. "Dette er det, der ofte kaldes en teknologisk løsning på et samfundsproblem, " han sagde.

Denne teknologiske løsning lægger yderligere byrder på individet til at tilpasse sig, så samfundet ikke behøver at ændre sig. Prof. Lemke sagde, at der er en reel fare for, at det kan blive en samfundsmæssig forventning. Kryokonservering kan blive den ultimative forsikring. Private virksomheder tilbyder allerede bankvirksomhed for navlestrengsblod, som er rig på stamceller. Måske i fremtiden, vi vil også være i stand til at banke hjertevæv.

Prof. Lemke studerer de samfundsmæssige konsekvenser af dette "suspenderede liv, "som han kalder det, på tværs af Europa gennem CRYOSOCIETIES-projektet. Han undersøger, hvordan kryokonserveringspraksis har udviklet sig, og hvordan de påvirker vores beslutningstagning.

Mens samfund ofte har forbundet kulde med død, cryopreservation skaber nye muligheder fra lægebehandling til biodiversitet.

"Det er ikke længere tilstanden af ​​ikke-transformation, at forblive inert. Men hellere, det mobiliserer ting og det åbner op for muligheder, " sagde prof. Lemke. "Vores kulturelle billedsprog af frossenhed er ved at ændre sig."