КЛАТРАТНАЯ КРИОКОНСЕРВАЦИЯ БИООБЪЕКТОВ (КЛАТОБИОЗ) Тельпухов Владимир Иванович Щербаков Павел Васильевич Хохлов Алексей Валерьевич Люндуп Алексей Валерьевич. - презентация

1 КЛАТРАТНАЯ КРИОКОНСЕРВАЦИЯ БИООБЪЕКТОВ (КЛАТОБИОЗ) Тельпухов Владимир Иванович Щербаков Павел Васильевич Хохлов Алексей Валерьевич Люндуп Алексей Валерьевич

2 В задачи криобиологии входит разработка способов длительного консервирования биологических объектов в жизнеспособном состоянии путём их глубокого замораживания.

3 КОНЕЧНАЯ ЦЕЛЬ АНАБИОЗ ЧЕЛОВЕКА

4 Четверть века назад нами была обнаружена закономерность, указывающая на существовании в природе такого, ещё неизвестного науке проявления жизнеспособности как КЛАТОБИОЗ Его достоверность подкреплена рядом успешных и независимых исследований Уже сегодня в рамках самой криобиологии происходит формирование совершено нового направления под общим названием «Клатратная криоконсервация» Что можно отметить и по заинтересованности в проведении семинара «Криоконсервация органов и тканей», организованного Фондом перспективных исследований года

5

6 Ещё в 1912 году русский учёный- ботаник Максимов Н.А. ( ) при переохлаждении биологической ткани растительной природы открыл защитное действие глицерина. Это судьбоносное событие и положило начало науке, которая сформировалась в известную всем нам сегодняшнюю криобиологию лишь к средине ХХ века

7 К настоящему времени уже выработалось понимание того, что коль речь заходит вообще о «криоконсервации», то сразу же подразумевается биологические объекты (клетки, ткани, органы, простейшие организмы) пребывают именно в анабиозе

8 АНАБИОЗ ШИРОКО-РАСПРОСТРАНЁННОЕ ПРИРОДНОЕ ЯВЛЕНИЕ

9 Микроскопические черви коловратки легко переходят к анабиозу

10 Плоские черви нематоды впадают в анабиотическое состояние посезонно

11 Тихоходки способны пребывать в состоянии анабиоза веками

12 Способностью впадать в анабиоз обладают спорообразующие бактерии

13 Анабиоз это существование организмов и их частей в состоянии временного обратимого прекращения жизнедеятельности в результате выведения свободной (биологически активной) воды из биохимических взаимодействий в клетке.

14 Так человеческий организм на 78% состоит из воды. Самая большая насыщенность водой в тканях головного мозга, печени, паренхиматозных органах. Даже кости на 20% состоят из воды, а зубы на 10%

15 Необходимым условием жизнедеятельности любого организма является транспорт воды. Вода задействована в перемещении различных питательных веществ и продуктов обмена. Она проходит сквозь клеточную мембрану совершенно свободно путем осмоса.

16 Вода составляет основу организма. Клетки буквально «плавают» в водном растворе межклеточной жидкости.

17 В самой же клетке вода находится в двух формах: свободной и связанной. Вода составляет до 80% её массы. Из всей этой клеточной воды свободная вода составляет 95 %

18 Свободная вода участвует в биохимических реакциях. В ней растворены органические и минеральные вещества. При высушивании и замораживании свободная вода легко удаляется. При удалении свободной воды гибели клетки не происходит.

19 Связанной называют воду, молекулы которой физически или химически соединены с другими веществами. Она не растворяет кристаллы, не активизирует многие биохимические процессы. Связанная вода входит в состав коллоидов клетки и с трудом высвобождается из них. С потерей связанной воды нарушаются клеточные структуры, и наступает гибель клетки.

20 По сути все биохимические процессы в живой клетке сводятся к химическим реакциям в водном растворе

21 Снижение содержания свободной (биологически активной) воды и есть физико-химическая основа перехода к любому из трёх известных на сегодня видов анабиоза. А это есть «анабиоз в результате высыхания», «анабиоз в результате глубокого охлаждения», «анабиоз в результате нахождения в среде с высокой концентрацией солей и высоким осмотическим давлением»

22 Таким образом, переход к какому-либо виду анабиоза всегда происходит или при отнятии воды из клеток (высушивание и осмос), или при её иммобилизации (замораживание)

23 При анабиозе в результате глубокого охлаждения (по- другому это «криоанабиоз»), иммобилизация свободной воды происходит только путём образования обычного льда (в виде кристаллов или в аморфном стеклообразном состоянии).

24 Кристаллизация процесс перехода вещества из жидкого состояния в кристаллическое

25 Кристаллическая структура обычного льда (гексагонального): молекулы воды соединены в правильные шестиугольники

26 Образование кристаллов льда внутри клеток самый важный повреждающий фактор при криоконсервации

27 ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ КРИСТАЛЛООБРАЗОВАНИЕ 1. ФОРМИРОВАНИЕ ЦЕНТРОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ : Оптимальная температура -40 о С 2. РОСТ КРИСТАЛЛОВ : Максимальная скорость роста при -2…-10 о С Очень малая скорость роста при -30 о С Вообще нет роста при -130 о С

28 Присутствует некое естественное природное рассогласование: для интенсивного роста кристаллов льда необходимы температуры в 2…10 °C, но наиболее благоприятная для этого процесса температура формирования самих центров кристаллизации ещё не достигнута (40 °С)

29 Вещества, способные снизить повреждающее действие физико- химических факторов при криоконсервации это криопротекторы

30 КРИОПРОТЕКТОРЫ ( ~ 100) ПРОНИКАЮЩИЕ ЭНДОЦЕЛЛЮЛЯРНЫЕ (диметилсульфоксид, глицерин, глюкоза, …): Снижают температуру замерзания Образуют водородные связи с молекулами воды, чем и препятствуют формированию кристаллов льда Связывают часть свободной воды, что уменьшает общую дегидратацию клеток Разбавляют образующийся при кристаллизации «рассол», не давая белкам денатурироваться Стабилизируют структуру макромолекул клетки за счёт образования с ними водородных связей НЕПРОНИКАЮЩИЕ ЭКЗОЦЕЛЛЮЛЯРНЫЕ (полиэтиленоксид, поливинилпирролидон, …) : Препятствуют росту кристаллов внеклеточного льда Препятствуют осмотическим перепадам Способствуют снижению концентрации ПРОНИКАЮЩИХ, а значит и токсичности последних Защищают плазматические мембраны

31 ФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ ЛЬДА БЕЗ КРИОПРОТЕКТОРОВ

32 Криопротекторы подавляют рост кристаллов льда в растворе

33 НЕДОСТАТКИ КРИОПРОТЕКТОРОВ Токсичны: в концентрациях для достижения сколь-либо явного эффекта ядовиты Недостаточно эффективны Проблематична их эвакуация

34 Подбор криопротекторов проводят эмпирически по принципу наименьшей токсичности и оптимального эффекта (метод «пальцем в небо»)

35 КРИОКОНСЕРВАЦИЯ МЕЛКИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, НАХОДЯЩИХСЯ В КРИОАНАБИОЗЕ УЖЕ СЕГОДНЯШНЯЯ РЕАЛЬНОСТЬ

36 Наибольшая по размеру клетка в человеческом организме это яйцеклетка. По своему диаметру она, приблизительно, 130 мкм

37 Самая же маленькая клетка это сперматозоид. Приблизительная толщина сперматозоида 55 мкм, по ширине она 5 мкм, в длину же достигает 3,5 мкм

38 Эмбрион мыши в стадии бластоцита (0,1 мм)

39 Эмбрион морской звезды на четвертом клеточном этапе при увеличении в 60 раз

40 Эмбрион человека (0,1 мм)

41 КОНСЕРВАЦИЯ ЗАМОРАЖИВАНИЕМ ОТРАБОТАНА ДЛЯ ЭРИТРОЦИТОВ, КЛЕТОК КОСТНОГО МОЗГА, СПЕРМАТОЗОИДОВ, РАННИХ (ПРЕИМПЛАНТАЦИОННЫХ) ЭМБРИОНОВ, ФРАГМЕНТОВ ЩИТОВИДНОЙ И ПОДЖЕЛУДОЧНЫХ ЖЕЛЁЗ

42 КРИОКОНСЕРВАЦИЯ КРУПНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, ПРЕБЫВАЮЩИХ В СОСТОЯНИИ АНАБИОЗА ПОКА ЕЩЁ ФАНТАСТИКА

43 За долгие десятилетия своего существования, криобиология не оправдала самого главного от неё ожидания – эффективной криоконсервации органов

44 Криоконсервация хорошо отработана лишь на объектах, имеющих радиус не более 1-го миллиметра. Ведь отношение поверхности и объема у органов очень далеко от необходимого для этого оптимума. Чем больше орган, тем меньше соотношение поверхности и объема.

45 В КРИОБИОЛОГИИ ВСЁ, ЧТО БОЛЕЕ 1-ГО МИЛЛИМЕТРА ОТНОСИТСЯ К «КРУПНЫМ» БИОЛОГИЧЕСКИМ ОБЪЕКТАМ

46 Таким образом, вне зависимости от используемых методов и скоростей замораживания невозможно крио консервировать, а затем вернуть к жизни целый организм человека

47 А ЕСТЬ ЕЩЁ СВОЯ «ПЕРСОНАЛЬНАЯ» ПРОБЛЕМА ПРИ ЗАМОРАЖИВАНИИ ВЫСШЕГО МЛЕКОПИТАЮЩЕГО

48 Защитой нервных клеток от вредных веществ (в том числе и криопротекторов) служит гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Поэтому при замораживании всего организма, эти клетки, как наиболее слабое звено, разрушатся в первую очередь. Криопротекторы просто не в состоянии сюда проникнуть !

49 ИТАК. ЗАМОРОЗИТЬ ОБЪЁМНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ ПУТЁМ ПРОСТОГО ТЕПЛОСЪЁМА БЕЗ ПОВРЕЖДЕНИЙ В НИХ В ПРИНЦИПЕ НЕВОЗМОЖНО НЕ ПОЗВОЛЯЮТ ЗАКОНЫ ТЕПЛО- ФИЗИКИ: НИЗКОЕ ОТНОШЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА К ЕГО ОБЪЁМУ

50 НАСТУПАЮЩАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ («ФРОНТ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ») РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ ОТ ПЕРЕФЕРИИ К ЦЕНТРУ НЕРАВНОМЕРНО, ЧТО ВЕДЁТ К РАСТРЕСКИВАНИЮ РАНЕЕ ЗАМЁРЖШИХ ПРЕДЫДУЩИХ СЛОЁВ

51 ВЕДЬ ИЗВЕСТНО, ЧТО ПРЕВРАЩАЯСЬ В ОБЫЧНЫЙ ГЕКСАГОНАЛЬНЫЙ ЛЁД, ВОДА ЗНАЧИТЕЛЬНО УВЕЛИЧИВАЕТСЯ В ОБЪЁМЕ

52 А ПРИ ЗАМЕРЗАНИИ ДАЖЕ В СТАЛЬНЫХ ВОДОПРОВОДНЫХ ТРУБАХ ЛЁД ЛЕГКО РАЗРЫВАЕТ ИХ

53 К ТОМУ ЖЕ ХОЛОД НЕ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ В ТКАНЯХ МГНОВЕННО

54 Простой пример значительной инерционности процесса замораживания до криогенных температур. Охлаждать дверной замок жидким азотом до 196 °C, что бы потом расколоть его одним ударом молотка, потребуется не менее 5 минут.

55 Даже для замораживания самого обычного цветка необходимо достаточно продолжительное время его пребывания в жидком азоте Отчасти это связано и с весьма низкой теплоёмкостью азота

56 Низкое отношение поверхности замораживаемого органа к его объёму создаёт существенные затруднения для теплопереноса в процессе охлаждения и приводит к появлению высоких температурных градиентов и ими обусловленных градиентов давления по всему объёму органа

57 Да и сами жидкие криопротекторы неравномерно распределяются в объёме крупного биообъекта (например, в органе млекопитающего) и потому плохо защищают от повреждений значительную часть его клеток

58 НЕСОСТОЯТЕЛЬНОСТЬ ОБЫЧНЫХ КРИОПРОТЕКТОРОВ ДЛЯ ОРГАННОГО СЛУЧАЯ ВПОЛНЕ ОЧЕВИДНА

59 «КРИОКОНСЕРВАЦИЯ ОРГАНОВ ЯВЛЯЕТСЯ ПРОБЛЕМОЙ, НЕ РАЗРЕШЁННОЙ НИ В ТЕОРЕТИЧЕСКОМ, НИ В ПРАКТИЧЕСКОМ ОТНОШЕНИИ» [ШУМАКОВ], А «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИЧИНАХ И МЕХАНИЗМАХ КРИО- ПОВРЕЖДЕНИЯ И КРИОЗАЩИТЫ ПРЕДСТАВЛЯЮТ СОБОЙ СОВОКУПНОСТЬ РАЗРОЗНЕННЫХ КОНЦЕПЦИЙ С ОГРАНИЧЕННОЙ ОБЛАСТЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ» [БЕЛОУС]

60 ПУТЬ РАЗРЕШЕНИЯ ДАННОЙ ПРОБЛЕМЫ ОБРАЗОВАНИЕ КЛАТРАТНЫХ ГИДРАТОВ

61 КЛАТРАТЫ ТИП ГИДРАТОВ, СОСТОЯЩИХ ИЗ МОЛЕКУЛ ГАЗОВ, ЗАКЛЮЧЁННЫХ В ЯЧЕЙКИ- РЕШЁТКИ ИЗ МОЛЕКУЛ ВОДЫ

62 В ПРИРОДЕ НАИБОЛЕЕ ШИРОКО РАСПРОСТРАНЁН ГИДРАТ МЕТАНА. ОДИН КУБИЧЕСКИЙ МЕТР ГИДРАТА СОДЕРЖИТ 164 КУБИЧЕСКИХ МЕТРА ПРИРОДНОГО ГАЗА

63 ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ НЕ ОТНОСЯТСЯ НИ К ОДНОМУ ИЗ 11 ТИПОВ ЛЬДА, ХОТЯ ВНЕШНЕ ПОХОЖИ

64 ГИДРАТНЫЕ ПРОБКИ МОГУТ ПОЛНОСТЬЮ ПЕРЕКРЫТЬ ПРОТОК В МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ, НО СОВЕРШЕННО БЕЗ ПОСЛЕДСТВИЙ ДЛЯ САМИХ ТРУБ

65 Гидрат метана стабилен при температуре 0 °C и давлении порядка 25 бар и выше. Такое давление имеет место на глубине океана около 250 м. При атмосферном давлении гидрат метана сохраняет устойчивость при температуре 80 °C.

66 ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВОГО ГИДРАТА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ ФАЗА 1 ФАЗА 2

67 НЕБОЛЬШОЙ ЭКСКУРС В ИСТОРИЮ

68 Британский естествоиспытатель Джозеф Пристли ( ) ещё в 1778 году получил «совершенно необычный лёд», как результат взаимодействия сернистого газа с водой.

69 Советский учёный-химик Никитин Борис Александрович ( ) в 1936 году приступил к изучению гидратов инертных газов.

70 Основатель токсикологии в СССР Лазарев Николай Васильевич ( ) впервые предсказал наркотические свойства криптона и ксенона, показал, что при небольших давлениях в среде инертных газов задерживаются скисание молока и гниение мяса.

71 Лауреат Нобелевской премии по химии Полинг Лайнус Карл (1901 – 1994) взял за основу многообещающие русские исследования и разработал в 1961 году свою Новую молекулярную теорию наркоза. Он предположил, что образующиеся при нормальной температуре в водной среде организма так называемые «микрокристаллогидраты» инертных газов тормозят биоэлектрическую активность и клеточный метаболизм.

72 Американский химик Миллер Стэнли Ллойд ( ), сотрудник известного Калифорнийского университета, обнаружил в Антарктиде огромные залежи необычного льда. Он сам же назвал этот минерал – «клатратный лёд».

73 В 1970-е годы выдающийся микробиолог Абызов Сабит Салахутдинович с соавторами провели микробиологические исследования кернов льда, взятых с различных глубин- горизонтов Антарктиды, пользуясь специальным стерильным бурением девственного ледяного панциря. Результатом данной работы явилось научное открытие «Явление сверхдлительного анабиоза у микроорганизмов».

74 Ещё во времена работы в академической группе академика Кованова В.В. мы обратили внимание на парадоксальную жизнеспособность микроорганизмов, пролежавших во льдах Антарктиды до одного миллиона лет, что и сопоставили с фактами существования здесь же огромных залежей «клатратного льда». Так родилось предположение, что условия низких температур и повышенных давлений, при которых появляются устойчивые клатратные соединения (в том числе и в самих микроорганизмах), вообще характерны для сохранения биологических объектов в жизнеспособном состоянии. И не только во льдах Антарктики, но и во всех других ледовых зонах Земли. Именно эти качества присущи клатратному анабиозу, обнаруженному нами ранее

75 Бактериям, попавшим в древний лёд Земли миллионы лет назад, по всей видимости, помогли остаться в живых газы атмосферы, образовавшие в клетках клатраты

76 ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ КЛАТРАТНОГО АНАБИОЗА

77 Суть неизвестной ранее науке закономерности, экспериментально обнаруженной и теоретически обоснованной нашим коллективом в том, что : «биологические объекты, насыщенные способными к гидратобразованию постоянными и непостоянными составными частями атмосферного воздуха, в условиях низких температур и повышенного давления остаются в жизнеспособном состоянии» То есть, переходят к некоему анабиозу !

78 Это неизвестное ранее проявление жизнеспособности и получило в авторской интерпретации собственное имя «Клатратный анабиоз»

79 Клатратный анабиоз (от clathratus загороженный и от anabiosis оживление) или сокр. клатобиоз существование организмов и их частей в состоянии временного обратимого прекращения жизнедеятельности в результате выведения свободной (биологически активной) воды из биохимических взаимодействий в клетке путём образования клатратов

80 ИТАК. ПО СУТИ, БЫЛ ОБНАРУЖЕН СОВЕРШЕННО НОВЫЙ ВИД АНАБИОЗА Вот как это было…

81 В своё время Академик Шумаков Валерий Иванович ( ) изучал в эксперименте консервацию тканей и органов в условиях пониженных температур (около-нулевые положительные температуры) и гипербарии инертными газами, основанную на эффекте Полинга.

82 Даже после 8-ми дней консервации почки данным методом не обнаруживаются явно-выраженные гистохимические и гистоморфологические изменения

83 ПРЕДДВЕРИЕ КЛАТРАТНОГО АНАБИОЗА Эксперименты с глубокой гипотермией (до 0 о С)

84 Самая первая лабораторная крио-барокамера для мелких животных (крысы).

85 ОБРАТИМАЯ ГЛУБОКАЯ ГИПОТЕРМИЯ ЦЕЛОСТНОГО ОРГАНИЗМА КРЫС [Обратимая глубокая гипотермия целостного организма крыс / П.В. Щербаков, В.И. Тельпухов, А.В. Хохлов А.В.// Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. – – Т – 5. – С ]

86

87 ВЫБОР СКОРОСТИ СОГРЕВАНИЯ ОРГАНИЗМА ПОСЛЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ГЛУБОКОЙ ГИПОТЕРМИИ [Выбор скорости согревания организма после экспериментальной глубокой гипотермии / Щербаков П.В., Тельпухов В.И., Хохлов А.В. // Экспериментальное и клиническое обоснование методов криомедицины: Сб. науч. тр. / Редкол.: Сандомирский Б.П. (отв. ред.) и др. / – Харьков; Институт проблем криобиологии и криомедицины АН УССР, – С ]

88 Выбор скорости согревания организма

89 Клатратный анабиоз: эксперименты на целостном организме

90 Клатратный анабиоз: эксперименты на изолированных органах

91 На основе обнаруженной закономерности создано оригинальное изобретение, защищённое патентом: «Способ криоконсервации органов и тканей in situ»

92 КЛАТРАТНАЯ КРИОКОНСЕРВАЦИЯ

93 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КЛАТРАТНОГО АНАБИОЗА (в первом приближении)

94 Надёжность и продолжительность оригинальной криоконсервации теоретически объясняется появлением по всему объёму биологического объекта микро- кристаллогидратов атмосферных газов. Имеет место быть гибридная кристаллизация

95 Так продукт замораживания может быть значительно более легко заморожен в присутствии некоего инициатора образования центров кристаллизации льда («зародышевых кристалликов»). То есть, даже при более высокой температуре, чем при спонтанном замораживании

96 Зародышевые кристаллики инициируют кристаллизацию

97 Микроструктуры газогидратов это и есть зародышевые кристаллики, инициирующие масштабную кристаллизацию свободной воды, причём сразу по всему объёму клетки

98 А известно, как только во внутриклеточной жидкости образуются многочисленные центры кристаллизации, она мгновенно переходит в твердое состояние

99 Для получения при 0 о С зародышевых кристалликов в виде гидрата ксенона достаточно приложить 1,5 атм, гидрата криптона 14,5 атм, гидрата аргона 105 атм. Но для кристаллогидратов ксенона при -3,4 о С, криптона при -27,8 о С, аргона при -42,8 о С давление диссоциации соответствует нормальному атмосферному давлению

100 ВЗГЛЯД НА ПЕРСПЕКТИВУ

101 Всё «искусственно-задействованное», что по шкале линейных размеров ниже величины 100 нм относится к нанотехнологиям. Понятно, что и в нашем случае, синтетические процессы, развивающиеся в клетке, не просто напрямую зависят от воздействия внешних физических факторов (от температуры и давления), а ими можно ещё и манипулировать со стороны, варьируя этими двумя параметрами (управлять). При этом непосредственные объекты управления своими ничтожными размерами вполне вписываются в приведённое строгое ограничение. То есть самые настоящие нанотехнологии !

102

103 Например, по клатратному принципу можно провести полезную и перспективную трансформацию, старой КРИОНИКИ уже в НАНОКРИОНИКУ

104 Или же попытаться осуществить криоконсервацию живого организма

105 Барокамера БКИ-192 вполне готовый узел для изготовления уже большой клатратной установки: аналог будущей лабораторной крио-барокамеры для крупных млекопитающих.

106 КЛАТРАТНЫЙ АНАБИОЗ КАК СПОСОБ ПУТЕШЕСТВИЯ ВО ВРЕМЕНИ И ПРОСТРАНСТВЕ

107 Возможный вариант клатратной установки для человека

108 Вариант системы спасения на антарктической станции или на подводной лодке

109 Клатратный анабиоз открывает и космические горизонты

110 Возможный вариант компоновки на космическом корабле

111 МАРС ЖДЁТ