Cribiologie

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Criobiologia este ramura biologiei care analizează funcționarea organismelor vii, organelor, țesuturilor și celulelor la temperaturi scăzute. Principalele sale aplicații sunt în domeniile criologiei , crioconservării și criochirurgiei .

Arii de studiu

Sunt identificate cel puțin șase domenii majore ale criobiologiei:

  1. Studiu de adaptare la rece a microorganismelor, plantelor, animalelor vertebrate și nevertebrate (inclusiv hibernarea)
  2. Crioconservarea celulelor , țesuturilor , gametilor și embrionilor de origine animală și umană în scopuri medicale pentru depozitare pe termen lung prin răcire la o temperatură sub 0 ° C.
  3. Conservarea organelor în condiții hipotermice pentru transplanturi
  4. Liofilizarea medicamentelor
  5. Criochirurgia , o abordare minim invazivă a distrugerii țesutului bolnav folosind gaze criogene sau fluide
  6. Fizică super-rece, gheață, nucleație / creștere și aspecte de inginerie mecanică ale transferului de căldură în timpul răcirii și încălzirii, aplicate sistemelor biologice. Criobiologia ar include, de asemenea, crionica , stocarea la temperaturi scăzute pentru oameni și mamifere, cu intenția de a revigora în viitor, deși acest lucru nu face parte din cribiologia obișnuită, bazându-se puternic pe tehnologii care nu sunt pe deplin verificate. Multe dintre aceste zone de studiu se bazează pe criogenă , o ramură a fizicii și ingineriei care studiază producția și utilizarea temperaturilor foarte scăzute.

Crioconservarea în natură

Multe organisme vii sunt capabile să tolereze perioade lungi de timp la temperaturi sub punctul de îngheț al apei. Majoritatea organismelor vii acumulează crioprotectoare precum proteine ​​antigel , polioli și glucoză pentru a se proteja de daunele cauzate de îngheț și cristale de gheață. Majoritatea plantelor, în special, pot supraviețui temperaturilor între −4 ° C și i −12 ° C.

Bacterii

Trei specii de bacterii, Carnobacterium pleistocenium , Chryseobacterium greenlandensis și Herminiimonas glaciei , au fost readuse la viață după ce au supraviețuit mii de ani înghețați în gheață. Alte bacterii, cum ar fi Pseudomonas syringae , produc proteine ​​specializate utile ca nucleatori puternici de gheață pe care îi folosesc pentru a forța gheața să se formeze pe suprafața diferitelor fructe și plante până la aproximativ −2 ° C. [1] Congelarea provoacă leziuni în epitelie și pune la dispoziția bacteriilor nutrienții din țesuturile vegetale subiacente. Bacteria Listeria crește încet la temperaturi de până la −1,5 ° C și persistă o perioadă de timp în alimentele congelate .

Plantă

Multe plante suferă un proces numit întărire care le permite să supraviețuiască la temperaturi sub 0 ° C timp de câteva săptămâni sau luni.

Animale

Nevertebrate

Nematodele care supraviețuiesc dedesubt 0 ° C includ Trichostrongylus colubriformis și Panagrolaimus davidi . Nimfele gândacului ( Periplaneta japonica ) supraviețuiesc perioade scurte de îngheț între -6 și −8 ° C. Gândacul roșu de scoarță plană ( Cucujus clavipes ) poate supraviețui după ce a fost înghețat −150 ° C. [2] Musca ciupercilor Exechia nugatoria poate supraviețui după îngheț la -50 ° C. Un alt gândac tolerant la îngheț este Upis ceramboides . [3] Tardigradul supraviețuiește atunci când este supus pentru perioade scurte la temperaturi de până la −273 ° C. Larvele Haemonchus contortus , un nematod, pot supraviețui 44 de săptămâni înghețate în −196 ° C.

Vertebrate

Rana sylvatica , iarna, își poate îngheța până la 45% din corp. Cristalele de gheață se formează sub piele și se intersectează între mușchii scheletici : în timpul înghețului, respirația broaștei, fluxul de sânge și bătăile inimii încetează. Congelarea este posibilă prin proteine ​​specializate și glucoză , care previne înghețarea și deshidratarea intracelulară. [4] [5] Această broască poate supraviețui până la 11 zile înghețată în −4 ° C.

Alte vertebrate care supraviețuiesc temperaturilor corporale sub 0 ° C includ broaștele țestoase Chrysemys picta și Terrapene carolina (48 de ore pe zi -2 ° C ), broastele Hyla versicolor, Pseudacris crucifere și Pseudacris triseriata, șarpele Thamnophis sirtalis (24 ore −1,5 ° C ), salamandra siberiană Salamandrella keyserlingii (24 de ore pe zi −15,3 ° C ), [6] șopârla comună europeană Lacerta vivipara și unii pești din Antarctica, cum ar fi Pagothenia borchgrevinki . [7]

Veveritele arctice hibernante pot menține temperaturile abdominale în jur −2.9 ° C timp de mai mult de trei săptămâni, deși temperaturile capului și gâtului rămân în jur 0 ° C sau mai mare. [8]

Aplicații

Aplicații istorice

Originile criobiologiei datează din 2500 î.Hr. , când egiptenii foloseau deja temperaturi scăzute în medicină. Folosirea frigului a fost recomandată de Hipocrate ca un remediu excelent pentru sângerări și umflături. La începutul dezvoltării medicinei moderne, Robert Boyle a studiat efectele temperaturilor scăzute asupra animalelor.

În 1949, un grup de oameni de știință condus de S. Polge a supus sperma la un proces de crioconservare pentru prima dată. [9] Astăzi aceeași tehnică este aplicată în nenumărate alte domenii: înghețarea organelor și a țesuturilor este o operație de rutină. Organele precum inima sunt de obicei aduse la temperaturi scăzute pentru a fi transportate în așteptarea unui transplant . Spermatozoizii umani, ovocitele și embrionii sunt tratați cu azot lichid în timpul tratamentelor de infertilitate. Mulți indivizi s-au născut din spermă sau ovule înghețate, iar la începutul anilor 2000 s-a născut primul om conceput dintr-un ou crioconservat fertilizat cu spermă crioconservată.

Tehnici de conservare

Criobiologia aplicată se referă în principal la conservarea substanțelor la o temperatură scăzută. Depozitarea hipotermică are loc la temperaturi peste 0 ° C, dar sub temperaturi normale ale corpului (32 ° C până la 37 ° C). Crioconservarea are loc în intervalul de temperatură de la -80 la -196 ° C. Organele și țesuturile sunt adesea supuse stocării hipotermice, în timp ce celulele unice sunt mai frecvent crioconservate.

O regulă generală de stocare hipotermică ne spune că la fiecare 10 ° C reducerea temperaturii este însoțită de o scădere cu 50% a consumului de oxigen . [10] Animalele care hibernează posedă mecanisme pentru a evita dezechilibrele metabolice asociate cu hipotermia , dar organele și țesuturile supuse conservării necesită soluții speciale pentru a contracara acidoza , scăderea funcționării pompei de sodiu și creșterea tensiunii arteriale . Calciu intracelular. Aceste măsuri sunt, de asemenea, utile pentru minimizarea deteriorării radicalilor liberi , prevenirea edemelor , compensarea pierderii de ATP etc.

Potrivit cribiologului american Peter Mazur, răcirea excesiv de rapidă ucide celulele datorită formării de gheață intracelulară, în timp ce răcirea excesiv de lentă ucide celulele prin toxicitate sau zdrobire mecanică. [11] Cu toate acestea, pentru celulele roșii din sânge , rata optimă de răcire este rapidă (aproximativ 100 ° C pe secundă), în timp ce pentru celulele stem rata optimă de răcire este foarte lentă (1 ° C pe minut). Crioprotectoarele , precum dimetil sulfoxidul și glicerolul , sunt utilizate pentru a proteja celulele de îngheț. [12]

Gametii și embrionii umani cu două, patru și opt celule pot supraviețui crioconservării la -196 ° C timp de 10 ani în condiții de laborator bine controlate. [13]

Reviste internaționale de cribiologie

  • Criobiology , (Editor: Elsevier ) este cea mai importantă publicație științifică în domeniu, cu aproximativ 60 de articole publicate în fiecare an, care acoperă orice aspect al biologiei și medicinei la temperaturi scăzute (cum ar fi înghețarea, hibernarea, toleranța și adaptarea la frig, compuși crioprotectori, aplicații medicale) pentru temperatură redusă, criochirurgie , hipotermie și perfuzie de organe.
  • Cryo Letters este un jurnal independent de comunicare britanic care publică articole despre efectele temperaturilor scăzute într-o mare varietate de procese biologice și biofizice sau studii care implică tehnici de temperatură scăzută pentru cercetări de schimb biologic și ecologic.
  • Cell Conservarea Tehnologia este un trimestrial peer - revizuite jurnal stiintific publicate de Mary Ann Liebert, Inc dedicat mai multe aspecte ale tehnologiilor de conservare , inclusiv crioconservare , în stare uscată, anhydrobiosis, vitrificare, și întreținerea hipotermic.
  • Tehnologia de conservare a celulelor a fost redenumită în Biopreservation and Biobanking și este jurnalul oficial al Societății Internaționale pentru Depozite Biologice și de Mediu (ISBER).

Notă

  1. ^ LR Maki, EL Galyan și MM Chang-Chien, Ice nucleation induced by pseudomonas syringae , în Applied Microbiology , vol. 28, nr. 3, septembrie 1974, pp. 456-459. Adus la 16 mai 2018 .
  2. ^ (EN) Oamenii de știință descoperă că țânțarii de ciuperci supraviețuiesc iernii pe jumătate înghețate , Anchorage Daily News. Adus la 16 mai 2018 .
  3. ^ (EN) Alaska Science Forum | Institutul Geofizic , la www.gi.alaska.edu . Adus la 16 mai 2018 (arhivat din original la 17 ianuarie 2010) .
  4. ^ (EN) Lithobates sylvaticus (Broască de lemn) , pe Web Diversity Animal. Adus la 16 mai 2018 .
  5. ^ (EN) Căutând broaște înghețate pentru indicii pentru îmbunătățirea medicinei umane , în The Seattle Times, 14 decembrie 2004. Accesat la 16 mai 2018.
  6. ^ (EN) Jason T. Irwin, Mette Jensen și Vladimir G. Ishchenko, Surviving the extreme: Freezing and deshydration tolerance in the Siberian salamander, Salamandrella keyserlingii , în Journal of Experimental Biology, 2015. Accesat la 16 mai 2018 (depus de „ adresa URL originală la 4 octombrie 2018) .
  7. ^ Criobiologie , la www.units.muohio.edu . Adus la 16 mai 2018 .
  8. ^ BM Barnes, Evitarea înghețului la un mamifer: temperaturi corporale sub 0 grade C într-un hibernator arctic , în Science (New York, NY) , vol. 244, n. 4912, 30 iunie 1989, pp. 1593-1595. Adus la 16 mai 2018 .
  9. ^ C. Polge, AU Smith și AS Parkes, Reînvierea spermatozoizilor după vitrificare și deshidratare la temperaturi scăzute , în Nature , vol. 164, n. 4172, 15 octombrie 1949, p. 666. Adus 16 mai 2018 .
  10. ^ JK Raison, Influența schimbărilor de fază induse de temperatură asupra cineticii sistemelor de enzime respiratorii și a altor membrane asociate enzimei , în Journal of Bioenergetics , vol. 4, nr. 1, ianuarie 1973, pp. 285-309. Adus la 16 mai 2018 .
  11. ^ P. Mazur, Rolul înghețării intracelulare în moartea celulelor răcite la rate supraoptimale , în Criobiologie , vol. 14, n. 3, iunie 1977, pp. 251-272. Adus la 16 mai 2018 .
  12. ^ Charles J. Hunt, Susan E. Armitage și David E. Pegg, Crioconservarea sângelui din cordonul ombilical: 1. Volumul inactiv din punct de vedere osmotic, conductivitatea hidraulică și permeabilitatea celulelor CD34 (+) la dimetil sulfoxid , în Criobiologie , vol. 46, nr. 1, februarie 2003, pp. 61-75. Adus la 16 mai 2018 .
  13. ^ (EN) Congelarea embrionilor (crioconservarea embrionilor) | Conservarea fertilității , la www.pacificfertilitycenter.com . Adus la 16 mai 2018 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Controlul autorității NDL ( EN , JA ) 00572768
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Criobiologia&oldid=121927422 ”