Kryokonservierung
Kryokonservierung, die Konservierung von Zellen und Gewebe durch Einfrieren.
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Die Kryokonservierung basiert auf der Fähigkeit bestimmter kleiner Moleküle, in Zellen einzudringen und Dehydration und Bildung intrazellulärer Eiskristalle zu verhindern, die während des Gefrierprozesses zum Zelltod und zur Zerstörung von Zellorganellen führen können. Zwei gängige kryoprotektive Mittel sind Dimethylsulfoxid (DMSO) und Glycerin. Glycerin wird hauptsächlich zur Kryoprotektion von roten Blutkörperchen verwendet, und DMSO wird zum Schutz der meisten anderen Zellen und Gewebe verwendet. Ein Zucker namens Trehalose, der in Organismen vorkommt, die extreme Dehydration überleben 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 der zellulären Kryokonservierung verwenden einen Gefrierschrank mit kontrollierter Rate. Dieses Gefriersystem liefert flüssigen Stickstoff in eine geschlossene Kammer, in die die Zellsuspension gegeben wird. Eine sorgfältige Überwachung der Gefrierrate hilft, eine schnelle zelluläre Dehydratation und Eiskristallbildung 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 Flüssigstickstoff-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 Knochenmarksrettung 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 zur Kryokonservierung hämatopoetischer Stammzellen hat das Ergebnis für die Behandlung bestimmter Lymphome und solider Tumoren erheblich verbessert bösartige Erkrankungen. Bei Leukämiepatienten sind ihre Blutzellen krebsartig und können nicht zur autologen Knochenmarkrebsrettung 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 gewonnen wurden. Seit den späten 1990er Jahren wurde erkannt, dass hämatopoetische Stammzellen und mesenchymale Stammzellen (abgeleitet aus embryonalem Bindegewebe) in der Lage sind, sich in Skelett- und Herzmuskelgewebe, Nervengewebe und Knochen zu differenzieren. Heute besteht ein intensives Interesse am Wachstum dieser Zellen in Gewebekultursystemen sowie an der Kryokonservierung dieser Zellen für die zukünftige Therapie einer Vielzahl von Erkrankungen, einschließlich Erkrankungen des Nerven- und Muskelsystems sowie Erkrankungen der Leber und des Herzens.
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Kryokonservierung wird auch verwendet, um menschliche Embryonen und Spermien einzufrieren und zu lagern. Es ist besonders wertvoll für das Einfrieren von zusätzlichen Embryonen, die durch In-vitro-Fertilisation (IVF) erzeugt werden. Ein Paar kann sich dafür entscheiden, zyropservierte Embryonen für spätere Schwangerschaften oder für den Fall, dass IVF mit frischen Embryonen fehlschlägt, zu verwenden. Beim gefrorenen Embryotransfer werden die Embryonen aufgetaut und in die Gebärmutter der Frau implantiert. Der Transfer gefrorener Embryonen ist mit einem geringen, aber signifikanten Anstieg des Krebsrisikos bei Kindern verbunden, die aus solchen Embryonen geboren wurden.
Tiefgreifende Hypothermie, eine Form der milden Kryokonservierung, die bei menschlichen Patienten angewendet wird, hat signifikante Anwendungen. Eine häufige Verwendung der Induktion einer tiefgreifenden Hypothermie ist für komplexe kardiovaskuläre chirurgische Eingriffe. Nachdem der Patient mit einer Herz-Lungen-Maschine auf einen vollständigen kardiopulmonalen Bypass gesetzt wurde, passiert das Blut eine Kühlkammer. Die kontrollierte Kühlung des Patienten kann extrem niedrige Temperaturen von etwa 10-14 ° C (50-57 ° F) 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 gestoppt werden, und der Chirurg kann sehr komplexe Aorten- und Herzfehler während des Kreislaufstillstands korrigieren. Während dieser Zeit zirkuliert kein Blut im Patienten. Nach Abschluss der Operation wird das Blut allmählich in demselben Wärmetauscher erwärmt, der zum Kühlen verwendet wird. Die allmähliche Erwärmung auf normale Körpertemperatur führt zur Wiederaufnahme normaler Gehirn- und Organfunktionen. Diese tiefgreifende Unterkühlung ist jedoch weit entfernt von Einfrieren und langfristiger Kryokonservierung.
Zellen können mehr als ein Jahrzehnt leben, wenn sie richtig eingefroren sind. Darüber hinaus können bestimmte Gewebe wie Nebenschilddrüsen, Venen, Herzklappen und Aortengewebe erfolgreich kryokonserviert werden. Einfrieren wird auch verwendet, um die langfristige Lebensfähigkeit von frühen menschlichen Embryonen, Eizellen (Eiern) und Spermien zu speichern und 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 mit intakter DNA ergeben können. Zum Beispiel wurden Kerne von Gehirnzellen von ganzen Mäusen, die seit mehr als 15 Jahren bei -20 ° C (-4 ° F) gelagert wurden, verwendet, um Linien embryonaler Stammzellen zu erzeugen. Diese Zellen wurden anschließend zur Herstellung von Maus-Klonen verwendet.