Criobiología

Criobiología es la rama de la biología que estudia los efectos de las bajas temperaturas en los seres vivos dentro de la criosfera terrestre o en la ciencia. La palabra criobiología se deriva de las palabras griegas κρῧος [kryos], "frío", βίος [bios], "vida", y λόγος [logos], "palabra";. En la práctica, la criobiología es el estudio de materiales o sistemas biológicos a temperaturas por debajo de lo normal. Los materiales o sistemas estudiados pueden incluir proteínas, células, tejidos, órganos u organismos completos. Las temperaturas pueden variar desde condiciones moderadamente hipotérmicas hasta temperaturas criogénicas.

Áreas de estudio

Se pueden identificar al menos seis áreas principales de criobiología: 1) estudio de la adaptación al frío de microorganismos, plantas (resistencia al frío) y animales, tanto invertebrados como vertebrados (incluida la hibernación), 2) crioconservación de células, tejidos, gametos y embriones de origen animal y humano para fines (médicos) de almacenamiento a largo plazo mediante enfriamiento a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua. Esto generalmente requiere la adición de sustancias que protegen las células durante la congelación y descongelación (crioprotectores), 3) conservación de órganos en condiciones hipotérmicas para trasplante, 4) liofilización (liofilización) de productos farmacéuticos, 5) criocirugía, un método (mínimamente) invasivo enfoque para la destrucción de tejido no saludable utilizando gases/fluidos criogénicos, y 6) física del superenfriamiento, nucleación/crecimiento de hielo y aspectos de ingeniería mecánica de la transferencia de calor durante el enfriamiento y el calentamiento, aplicados a los sistemas biológicos. La criobiología incluiría la criónica, la preservación a baja temperatura de humanos y mamíferos con la intención de un renacimiento futuro, aunque esto no es parte de la criobiología convencional, y depende en gran medida de la tecnología especulativa aún por inventar. Varias de estas áreas de estudio se basan en la criogenia, la rama de la física y la ingeniería que estudia la producción y el uso de temperaturas muy bajas.

Crioconservación en la naturaleza

Muchos organismos vivos pueden tolerar períodos prolongados de tiempo a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua. La mayoría de los organismos vivos acumulan crioprotectores como proteínas antinucleares, polioles y glucosa para protegerse contra el daño por heladas causado por cristales de hielo afilados. La mayoría de las plantas, en particular, pueden alcanzar temperaturas de −4 °C a −12 °C con seguridad.

Bacterias

Se ha informado que tres especies de bacterias, Carnobacterium pleistocenium, Chryseobacterium greenlandensis y Herminiimonas glaciei, han revivido después de sobrevivir congeladas durante miles de años. soy amable. Ciertas bacterias, en particular Pseudomonas syringae, producen proteínas especializadas que sirven como potentes nucleadores de hielo, que utilizan para forzar la formación de hielo en la superficie de varias frutas y plantas a aproximadamente -2 °C. La congelación provoca lesiones en el epitelio y hace que los nutrientes de los tejidos vegetales subyacentes estén disponibles para las bacterias. Listeria crece lentamente a temperaturas tan bajas como -1,5 °C y persiste durante algún tiempo en los alimentos congelados.

Plantas

Muchas plantas se someten a un proceso llamado endurecimiento que les permite sobrevivir a temperaturas inferiores a 0 °C durante semanas o meses.

Animales

Invertebrados

Los nematodos que sobreviven por debajo de 0 °C incluyen Trichostrongylus colubriformis y Panagrolaimus davidi. Las ninfas de cucaracha (Periplaneta japonica) sobreviven cortos periodos de congelación entre -6 y -8 °C. El escarabajo rojo descortezador (Cucujus clavipes) puede sobrevivir después de ser congelado a -150 °C. El mosquito del hongo Exechia nugatoria puede sobrevivir después de congelarse a -50 °C, mediante un mecanismo único mediante el cual se forman cristales de hielo en el cuerpo pero no en la cabeza. Otro escarabajo tolerante a la congelación es Upis ceramboides. Ver ecología invernal de insectos y proteína anticongelante. Otro invertebrado que tolera brevemente temperaturas de hasta -273 °C es el tardígrado.

Las larvas de Haemonchus contortus, un nematodo, pueden sobrevivir 44 semanas congeladas a -196 °C.

Vertebrados

Para la rana de bosque (Rana sylvatica), en el invierno, hasta el 45 % de su cuerpo puede congelarse y convertirse en hielo. Los cristales de hielo se forman debajo de la piel y se intercalan entre los músculos esqueléticos del cuerpo. Durante la congelación, la respiración, el flujo sanguíneo y los latidos del corazón de la rana cesan. La congelación es posible gracias a proteínas especializadas y glucosa, que evitan la congelación y la deshidratación intracelular." La rana de madera puede sobrevivir hasta 11 días congelada a -4 °C.

Otros vertebrados que sobreviven a temperaturas corporales inferiores a 0 °C incluyen tortugas pintadas (Chrysemys picta), ranas arborícolas grises (Hyla versicolor), ranas de páramo (Rana arvalis), tortugas de caja (Terrapene carolina - 48 horas a -2 °C), mirones (Pseudacris crucifer), culebras de liga (Thamnophis sirtalis- 24 horas a -1,5 °C), la rana coro (Pseudacris triseriata), la salamandra siberiana (Salamandrella keyserlingii - 24 horas a -15,3 °C), lagarto común europeo (Lacerta vivipara) y peces antárticos como Pagothenia borchgrevinki. Se han utilizado proteínas anticongelantes clonadas de tales peces para conferir resistencia a las heladas a plantas transgénicas.

Las ardillas terrestres del Ártico en hibernación pueden tener temperaturas abdominales tan bajas como -2,9 °C (26,8 °F), manteniendo temperaturas abdominales bajo cero durante más de tres semanas seguidas, aunque las temperaturas en la cabeza y el cuello permanecen en 0 °C o superior.

Criobiología aplicada

Antecedentes históricos

Boyle

La historia de la criobiología se remonta a la antigüedad. Ya en el año 2500 a. C., las bajas temperaturas se usaban en medicina en Egipto. Hipócrates recomendó el uso de frío para detener el sangrado y la hinchazón. Con el surgimiento de la ciencia moderna, Robert Boyle estudió los efectos de las bajas temperaturas en los animales.

En 1949, un equipo de científicos dirigido por Christopher Polge crioconservó semen de toro por primera vez. Esto condujo a un uso mucho más amplio de la crioconservación en la actualidad, con muchos órganos, tejidos y células almacenados de forma rutinaria a bajas temperaturas. Los órganos grandes, como los corazones, generalmente se almacenan y transportan, solo por períodos cortos, a temperaturas frescas pero no heladas para el trasplante. Las suspensiones de células (como la sangre y el semen) y las secciones delgadas de tejido a veces se pueden almacenar casi indefinidamente a temperatura de nitrógeno líquido (criopreservación). El esperma humano, los óvulos y los embriones se almacenan de forma rutinaria en investigaciones y tratamientos de fertilidad. La velocidad controlada y la congelación lenta son técnicas bien establecidas iniciadas a principios de la década de 1970 que permitieron el primer parto congelado de embriones humanos (Zoe Leyland) en 1984. Desde entonces, se han utilizado máquinas que congelan muestras biológicas utilizando pasos programables o velocidades controladas. en todo el mundo para la biología humana, animal y celular: 'congelándose' una muestra para conservarla mejor para una eventual descongelación, antes de congelarla o criopreservarla en nitrógeno líquido. Estas máquinas se utilizan para congelar ovocitos, piel, productos sanguíneos, embriones, espermatozoides, células madre y conservación general de tejidos en hospitales, prácticas veterinarias y laboratorios de investigación. El número de nacidos vivos de 'lento congelado' embriones es de unos 300.000 a 400.000 o el 20% de los 3 millones de nacimientos fertilizados in vitro estimados. El Dr. Christopher Chen, Australia, informó sobre el primer embarazo del mundo utilizando ovocitos congelados lentamente en un congelador británico de velocidad controlada en 1986.

La criocirugía (destrucción de tejido intencionada y controlada mediante la formación de hielo) fue realizada por James Arnott en 1845 en una operación en un paciente con cáncer.

Técnicas de conservación

La criobiología como ciencia aplicada se ocupa principalmente de la conservación a baja temperatura. El almacenamiento hipotérmico suele estar por encima de 0 °C pero por debajo de las temperaturas normotérmicas (32 °C a 37 °C) de los mamíferos. El almacenamiento por crioconservación, por otro lado, estará en el rango de temperatura de -80 a -196 °C. Los órganos y tejidos son con mayor frecuencia los objetos de almacenamiento hipotérmico, mientras que las células individuales han sido los objetos crioconservados más comunes.

Una regla general en el almacenamiento hipotérmico es que cada reducción de temperatura de 10 °C se acompaña de una reducción del 50 % en el consumo de oxígeno. Aunque los animales que hibernan tienen mecanismos adaptados para evitar los desequilibrios metabólicos asociados con la hipotermia, los órganos hipotérmicos y los tejidos que se mantienen para el trasplante requieren soluciones de conservación especiales para contrarrestar la acidosis, la actividad deprimida de la bomba de sodio. y aumento del calcio intracelular. Las soluciones especiales de preservación de órganos como Viaspan (solución de la Universidad de Wisconsin), HTK y Celsior han sido diseñado para este propósito. Estas soluciones también contienen ingredientes para minimizar el daño de los radicales libres, prevenir edemas, compensar la pérdida de ATP, etc.

La criopreservación de células se guía por la "hipótesis de dos factores" del criobiólogo estadounidense Peter Mazur, que afirma que el enfriamiento excesivamente rápido mata las células por la formación de hielo intracelular y el enfriamiento excesivamente lento mata las células por toxicidad electrolítica o aplastamiento mecánico. Durante el enfriamiento lento, se forma hielo extracelularmente, lo que hace que el agua abandone osmóticamente las células y, por lo tanto, las deshidrate. El hielo intracelular puede ser mucho más dañino que el hielo extracelular.

Para los glóbulos rojos, la velocidad óptima de enfriamiento es muy rápida (casi 100 °C por segundo), mientras que para las células madre la velocidad óptima de enfriamiento es muy lenta (1 °C por minuto). Los crioprotectores, como el sulfóxido de dimetilo y el glicerol, se utilizan para proteger las células de la congelación. Una variedad de tipos de células están protegidas por sulfóxido de dimetilo al 10%. Los criobiólogos intentan optimizar la concentración de crioprotectores (minimizando tanto la formación de hielo como la toxicidad) y la tasa de enfriamiento. Las células se pueden enfriar a una velocidad óptima a una temperatura entre -30 y -40 °C antes de sumergirlas en nitrógeno líquido.

Los métodos de enfriamiento lento se basan en el hecho de que las células contienen pocos agentes nucleantes, pero contienen sustancias vitrificantes naturales que pueden prevenir la formación de hielo en células que se han deshidratado moderadamente. Algunos criobiólogos buscan mezclas de crioprotectores para la vitrificación completa (cero formación de hielo) en la conservación de células, tejidos y órganos. Los métodos de vitrificación plantean un reto en la búsqueda de mezclas crioprotectoras que puedan minimizar la toxicidad.

En humanos

Los gametos humanos y los embriones de dos, cuatro y ocho células pueden sobrevivir a la criopreservación a -196 °C durante 10 años en condiciones de laboratorio bien controladas.

La crioconservación en humanos con respecto a la infertilidad implica la conservación de embriones, espermatozoides u ovocitos mediante congelación. La concepción, in vitro, se intenta cuando el esperma se descongela y se introduce en el medio 'fresco' óvulos, los óvulos congelados se descongelan y el esperma se coloca con los óvulos y juntos se vuelven a colocar en el útero o se introduce un embrión congelado en el útero. La vitrificación tiene fallas y no es tan confiable o comprobada como la congelación de esperma, óvulos o embriones fertilizados como los métodos tradicionales de congelación lenta porque los óvulos solos son extremadamente sensibles a la temperatura. Muchos investigadores también están congelando tejido ovárico junto con los óvulos con la esperanza de que el tejido ovárico pueda volver a trasplantarse al útero, estimulando los ciclos normales de ovulación. En 2004, Donnez de Lovaina en Bélgica informó el primer parto ovárico exitoso a partir de tejido ovárico congelado. En 1997, se tomaron muestras de la corteza ovárica de una mujer con linfoma de Hodgkin y se criopreservaron en un congelador de tasa controlada (Planer, Reino Unido) y luego se almacenaron en nitrógeno líquido. La quimioterapia se inició después de que la paciente presentara insuficiencia ovárica prematura. En 2003, después de la congelación-descongelación, se realizó un autotrasplante ortotópico de tejido cortical ovárico por laparoscopia y después de cinco meses, los signos de reimplantación indicaron la recuperación de los ciclos ovulatorios regulares. Once meses después de la reimplantación, se confirmó un embarazo intrauterino viable, lo que resultó en el primer nacimiento vivo de este tipo: una niña llamada Tamara.

Hipotermia terapéutica, p. durante una cirugía de corazón en un "resfriado" corazón (generado por perfusión fría sin formación de hielo) permite operaciones mucho más prolongadas y mejora las tasas de recuperación de los pacientes.

Sociedades científicas

La Sociedad de Criobiología se fundó en 1964 para reunir a personas de las ciencias biológicas, médicas y físicas que tienen un interés común en los efectos de las bajas temperaturas en los sistemas biológicos. A partir de 2007, la Sociedad de Criobiología tenía alrededor de 280 miembros de todo el mundo, y la mitad de ellos se encuentran en los EE. UU. El propósito de la Sociedad es promover la investigación científica en biología de bajas temperaturas, mejorar la comprensión científica en este campo y difundir y aplicar este conocimiento en beneficio de la humanidad. La Sociedad exige de todos sus miembros los más altos estándares éticos y científicos en el desempeño de sus actividades profesionales. De acuerdo con los estatutos de la Sociedad, se puede negar la membresía a los solicitantes cuya conducta se considere perjudicial para la Sociedad; en 1982, los estatutos fueron enmendados explícitamente para excluir 'cualquier práctica o aplicación de congelación de personas fallecidas en previsión de su reanimación', a pesar de las objeciones de algunos miembros que eran crionicistas, como Jerry Leaf. La Sociedad organiza una reunión científica anual dedicada a todos los aspectos de la biología de bajas temperaturas. Este encuentro internacional ofrece oportunidades para la presentación y discusión de las investigaciones más actualizadas en criobiología, así como la revisión de aspectos específicos a través de simposios y talleres. Los miembros también se mantienen informados sobre las noticias y las próximas reuniones a través del boletín de la Sociedad, Noticias. El presidente de 2011-2012 de la Sociedad de Criobiología fue John H. Crowe.

La Society for Low Temperature Biology se fundó en 1964 y se convirtió en una organización benéfica registrada en 2003 con el propósito de promover la investigación sobre los efectos de las bajas temperaturas en todo tipo de organismos y sus células, tejidos y órganos constituyentes. A partir de 2006, la sociedad tenía alrededor de 130 miembros (en su mayoría británicos y europeos) y celebra al menos una reunión general anual. El programa suele incluir tanto un simposio sobre un tema de actualidad como una sesión de comunicaciones libres sobre cualquier aspecto de la biología de bajas temperaturas. Simposios recientes han incluido estabilidad a largo plazo, preservación de organismos acuáticos, crioconservación de embriones y gametos, preservación de plantas, microscopía de baja temperatura, vitrificación (formación de vidrio de sistemas acuosos durante el enfriamiento), liofilización y almacenamiento de tejidos. Los miembros son informados a través del Boletín de la Sociedad, que actualmente se publica tres veces al año.

Diarios

Cryobiology (editor: Elsevier) es la principal publicación científica en esta área, con alrededor de 60 contribuciones arbitradas publicadas cada año. Los artículos se refieren a cualquier aspecto de la biología y la medicina a baja temperatura (p. ej., congelación, liofilización, hibernación, tolerancia y adaptación al frío, compuestos crioprotectores, aplicaciones médicas de temperatura reducida, criocirugía, hipotermia y perfusión de órganos).

Cryo Letters es una revista independiente de comunicación rápida con sede en el Reino Unido que publica artículos sobre los efectos producidos por las bajas temperaturas en una amplia variedad de procesos biofísicos y biológicos, o estudios que involucran técnicas de baja temperatura en la investigación de temas biológicos y ecológicos.

Biopreservation and Biobanking (anteriormente Cell Preservation Technology) es una revista científica trimestral revisada por pares publicada por Mary Ann Liebert, Inc. dedicada al diverso espectro de tecnologías de preservación, incluida la criopreservación, el estado seco (anhidrobiosis), y mantenimiento en estado vítreo e hipotérmico. Cell Preservation Technology ha pasado a llamarse Biopreservation and Biobanking y es la revista oficial de la Sociedad Internacional de Repositorios Biológicos y Ambientales.

Problemas de criobiología y criomedicina (anteriormente 'Kriobiologiya' (1985-1990) y 'Problemas de criobiología'(1991-2012)) publicado por el Instituto para Problemas de Criobiología y Criomedicina. La revista cubre todos los temas relacionados con la biología, la medicina y la ingeniería de bajas temperaturas.