Kryokonservierung, die Konservierung von Zellen und Gewebe durch Einfrieren.
Sir Ian Wilmut: Bildungs- und Kryokonservierungsforschung
Wilmut wuchs in Coventry auf, einer Stadt in der historischen englischen Grafschaft Warwickshire, und besuchte das Agricultural College der Universität
Die Kryokonservierung basiert auf der Fähigkeit bestimmter kleiner Moleküle, in Zellen einzudringen und die Dehydratisierung und Bildung intrazellulärer Eiskristalle zu verhindern, die während des Gefrierprozesses zum Zelltod und zur Zerstörung von Zellorganellen führen können. Zwei übliche Kryoprotektiva sind Dimethylsulfoxid (DMSO) und Glycerin. Glycerin wird hauptsächlich zum Kryoprotektion roter Blutkörperchen verwendet, und DMSO wird zum Schutz der meisten anderen Zellen und Gewebe verwendet. Ein Zucker namens Trehalose, der in Organismen vorkommt, die eine extreme Dehydration überstehen können, wird für Gefriertrocknungsmethoden der Kryokonservierung verwendet. Trehalose stabilisiert Zellmembranen und ist besonders nützlich für die Konservierung von Spermien, Stammzellen und Blutzellen.
Die meisten Systeme zur zellulären Kryokonservierung verwenden einen Gefrierschrank mit kontrollierter Geschwindigkeit. Dieses Gefriersystem liefert flüssigen Stickstoff in eine geschlossene Kammer, in die die Zellsuspension gegeben wird. Eine sorgfältige Überwachung der Gefrierrate hilft, eine schnelle Dehydratisierung der Zellen und die Bildung von Eiskristallen zu verhindern. Im Allgemeinen werden die Zellen in einem Gefrierschrank mit kontrollierter Geschwindigkeit von Raumtemperatur auf ungefähr –90 ° C (–130 ° F) gebracht. Die gefrorene Zellsuspension wird dann in einen Flüssig-Stickstoff-Gefrierschrank überführt, der bei extrem kalten Temperaturen mit Stickstoff entweder in der Dampf- oder in der Flüssigphase gehalten wird. Die auf Gefriertrocknung basierende Kryokonservierung erfordert keine Verwendung von Flüssigstickstoff-Gefriergeräten.
Eine wichtige Anwendung der Kryokonservierung ist das Einfrieren und Lagern von hämatopoetischen Stammzellen, die im Knochenmark und im peripheren Blut vorkommen. Bei der autologen Knochenmarkrettung werden hämatopoetische Stammzellen vor der Behandlung mit einer hochdosierten Chemotherapie aus dem Knochenmark eines Patienten entnommen. Nach der Behandlung werden die kryokonservierten Zellen des Patienten aufgetaut und wieder in den Körper infundiert. Dieses Verfahren ist notwendig, da eine hochdosierte Chemotherapie für das Knochenmark extrem toxisch ist. Die Fähigkeit, hämatopoetische Stammzellen zu kryokonservieren, hat das Ergebnis für die Behandlung bestimmter Lymphome und maligner Erkrankungen des soliden Tumors erheblich verbessert. Bei Patienten mit Leukämie sind ihre Blutzellen krebsartig und können nicht zur autologen Knochenmarkrettung verwendet werden. Infolgedessen sind diese Patienten auf kryokonserviertes Blut angewiesen, das aus den Nabelschnüren von Neugeborenen entnommen wurde, oder auf kryokonservierte hämatopoetische Stammzellen, die von Spendern erhalten wurden. Seit den späten 1990er Jahren ist bekannt, dass hämatopoetische Stammzellen und mesenchymale Stammzellen (die aus embryonalen Bindegeweben stammen) in Skelett- und Herzmuskelgewebe, Nervengewebe und Knochen differenzieren können. Heute besteht ein starkes Interesse am Wachstum dieser Zellen in Gewebekultursystemen sowie an der Kryokonservierung dieser Zellen für die künftige Therapie einer Vielzahl von Erkrankungen, einschließlich Störungen des Nerven- und Muskelsystems sowie Erkrankungen der Leber und des Herzens.
Die Kryokonservierung wird auch verwendet, um menschliche Embryonen und Spermien einzufrieren und zu speichern. Es ist besonders wertvoll für das Einfrieren zusätzlicher Embryonen, die durch In-vitro-Fertilisation (IVF) erzeugt werden. Ein Paar kann sich dafür entscheiden, zypreservierte Embryonen für spätere Schwangerschaften oder für den Fall zu verwenden, dass die IVF mit frischen Embryonen versagt. Beim Transfer gefrorener Embryonen werden die Embryonen aufgetaut und in die Gebärmutter der Frau implantiert. Der Transfer von gefrorenen Embryonen ist mit einem kleinen, aber signifikanten Anstieg des Krebsrisikos bei Kindern verbunden, die aus solchen Embryonen geboren wurden.
Eine tiefgreifende Unterkühlung, eine Form der milden Kryokonservierung bei menschlichen Patienten, hat bedeutende Anwendungen. Eine häufige Anwendung der Induktion einer starken Unterkühlung sind komplexe kardiovaskuläre chirurgische Eingriffe. Nachdem der Patient mit einer Herz-Lungen-Maschine einen vollständigen kardiopulmonalen Bypass erhalten hat, passiert das Blut eine Kühlkammer. Die kontrollierte Abkühlung des Patienten kann extrem niedrige Temperaturen von etwa 10 bis 14 ° C erreichen. Diese Menge an Kühlung stoppt effektiv alle zerebralen Aktivitäten und bietet Schutz für alle lebenswichtigen Organe. Wenn diese extreme Abkühlung erreicht ist, kann die Herz-Lungen-Maschine angehalten werden und der Chirurg kann sehr komplexe Aorten- und Herzfehler während eines Kreislaufstillstands korrigieren. Während dieser Zeit zirkuliert kein Blut im Patienten. Nach Abschluss der Operation wird das Blut in demselben Wärmetauscher, der zum Kühlen verwendet wird, allmählich erwärmt. Eine allmähliche Erwärmung auf normale Körpertemperaturen führt zur Wiederaufnahme der normalen Gehirn- und Organfunktionen. Diese tiefgreifende Unterkühlung ist jedoch weit entfernt vom Einfrieren und der langfristigen Kryokonservierung.
Zellen können mehr als ein Jahrzehnt leben, wenn sie richtig gefroren sind. Darüber hinaus können bestimmte Gewebe wie Nebenschilddrüsen, Venen, Herzklappen und Aortengewebe erfolgreich kryokonserviert werden. Das Einfrieren wird auch verwendet, um die Lebensfähigkeit früher menschlicher Embryonen, Eizellen (Eier) und Spermien zu speichern und langfristig aufrechtzuerhalten. Die für diese Gewebe verwendeten Gefrierverfahren sind gut etabliert, und in Gegenwart von Kryoprotektiva können die Gewebe über lange Zeiträume bei Temperaturen von –14 ° C (6,8 ° F) gelagert werden.
Untersuchungen haben gezeigt, dass ganze Tiere, die in Abwesenheit von Kryoprotektiva eingefroren wurden, beim Auftauen lebensfähige Zellen ergeben können, die intakte DNA enthalten. Beispielsweise wurden Kerne von Gehirnzellen von ganzen Mäusen, die länger als 15 Jahre bei –20 ° C (–4 ° F) gelagert wurden, verwendet, um Linien embryonaler Stammzellen zu erzeugen. Diese Zellen wurden anschließend zur Herstellung von Mausklonen verwendet.
