Cryopreservatie, het behoud van cellen en weefsels door bevriezing.
Sir Ian Wilmut: onderwijs en cryopreservatieonderzoek
Wilmut groeide op in Coventry, een stad in het historische Engelse graafschap Warwickshire, en studeerde aan het Agricultural College van de universiteit.
Cryopreservatie is gebaseerd op het vermogen van bepaalde kleine moleculen om cellen binnen te gaan en uitdroging en vorming van intracellulaire ijskristallen te voorkomen, die celdood en vernietiging van celorganellen tijdens het vriesproces kunnen veroorzaken. Twee veel voorkomende cryobeschermende middelen zijn dimethylsulfoxide (DMSO) en glycerol. Glycerol wordt voornamelijk gebruikt voor de cryoprotectie van rode bloedcellen en DMSO wordt gebruikt voor de bescherming van de meeste andere cellen en weefsels. Een suiker genaamd trehalose, die voorkomt in organismen die extreme uitdroging kunnen overleven, wordt gebruikt voor vriesdroogmethoden voor cryoconservering. Trehalose stabiliseert de celmembranen en is vooral nuttig voor het behoud van sperma, stamcellen en bloedcellen.
De meeste systemen voor cellulaire cryoconservering gebruiken een vriezer met gecontroleerde snelheid. Dit vriessysteem levert vloeibare stikstof in een gesloten kamer waarin de celsuspensie wordt geplaatst. Zorgvuldige monitoring van de snelheid van bevriezing helpt snelle cellulaire uitdroging en ijskristalvorming te voorkomen. Over het algemeen worden de cellen van kamertemperatuur naar ongeveer −90 ° C (−130 ° F) gebracht in een vriezer met gecontroleerde snelheid. De bevroren celsuspensie wordt vervolgens overgebracht naar een vriezer met vloeibare stikstof die op extreem koude temperaturen wordt gehouden met stikstof in de damp of de vloeibare fase. Cryopreservatie op basis van vriesdrogen vereist geen gebruik van vriezers met vloeibare stikstof.
Een belangrijke toepassing van cryoconservering is het invriezen en bewaren van hematopoëtische stamcellen, die worden aangetroffen in het beenmerg en perifeer bloed. Bij autologe beenmergredding worden hematopoëtische stamcellen verzameld uit het beenmerg van een patiënt voorafgaand aan behandeling met hooggedoseerde chemotherapie. Na de behandeling worden de gecryoconserveerde cellen van de patiënt ontdooid en terug in het lichaam gebracht. Deze procedure is noodzakelijk, omdat chemotherapie met hoge doses zeer giftig is voor het beenmerg. Het vermogen om hematopoëtische stamcellen te cryopreserveren heeft de uitkomst voor de behandeling van bepaalde lymfomen en solide tumoren maligniteiten aanzienlijk verbeterd. In het geval van patiënten met leukemie zijn hun bloedcellen kanker en kunnen ze niet worden gebruikt voor autologe beenmergredding. Als gevolg hiervan vertrouwen deze patiënten op gecryopreserveerd bloed dat is verzameld uit de navelstreng van pasgeboren zuigelingen of op gecryopreserveerde hematopoëtische stamcellen die zijn verkregen van donoren. Sinds eind jaren negentig wordt erkend dat hematopoëtische stamcellen en mesenchymale stamcellen (afkomstig van embryonaal bindweefsel) zich kunnen differentiëren in skelet- en hartspierweefsels, zenuwweefsel en botten. Tegenwoordig is er intense belangstelling voor de groei van deze cellen in weefselkweeksystemen, evenals voor de cryoconservering van deze cellen voor toekomstige therapie voor een breed scala aan aandoeningen, waaronder aandoeningen van het zenuw- en spierstelsel en aandoeningen van de lever en het hart.
Cryopreservatie wordt ook gebruikt om menselijke embryo's en sperma in te vriezen en op te slaan. Het is vooral waardevol voor het invriezen van extra embryo's die worden gegenereerd door in-vitrofertilisatie (IVF). Een koppel kan ervoor kiezen om cyropreserved embryo's te gebruiken voor latere zwangerschappen of in het geval dat IVF faalt met verse embryo's. In het proces van ingevroren embryotransfer worden de embryo's ontdooid en in de baarmoeder van de vrouw geïmplanteerd. Bevroren embryotransfer wordt geassocieerd met een kleine maar significante toename van het risico op kanker bij kinderen bij kinderen geboren uit dergelijke embryo's.
Diepgaande onderkoeling, een vorm van milde cryoconservering die bij menselijke patiënten wordt gebruikt, heeft aanzienlijke toepassingen. Inductie van diepe onderkoeling wordt vaak gebruikt voor complexe cardiovasculaire chirurgische procedures. Nadat de patiënt met een hart-longmachine op een volledige cardiopulmonale bypass is geplaatst, stroomt het bloed door een koelkamer. Gecontroleerde koeling van de patiënt kan extreem lage temperaturen bereiken van ongeveer 10–14 ° C (50–57 ° F). Deze hoeveelheid koeling stopt effectief alle hersenactiviteit en biedt bescherming voor alle vitale organen. Wanneer deze extreme afkoeling is bereikt, kan de hart-longmachine worden gestopt en kan de chirurg zeer complexe aorta- en hartafwijkingen corrigeren tijdens de circulatiestilstand. Gedurende deze tijd circuleert er geen bloed in de patiënt. Nadat de operatie is voltooid, wordt het bloed geleidelijk opgewarmd in dezelfde warmtewisselaar die wordt gebruikt voor koeling. Geleidelijke opwarming tot normale lichaamstemperaturen resulteert in hervatting van normale hersen- en orgaanfuncties. Deze diepe onderkoeling is echter verre van bevriezen en langdurige cryopreservatie.
Cellen kunnen meer dan een decennium leven als ze goed zijn ingevroren. Bovendien kunnen bepaalde weefsels, zoals bijschildklieren, aderen, hartkleppen en aorta-weefsel, met succes worden gecryoconserveerd. Invriezen wordt ook gebruikt om de levensvatbaarheid op lange termijn van vroege menselijke embryo's, eicellen (eicellen) en sperma op te slaan en te behouden. De invriesprocedures die voor deze weefsels worden gebruikt, zijn goed ingeburgerd en, in aanwezigheid van cryobeschermende middelen, kunnen de weefsels gedurende lange perioden worden bewaard bij temperaturen van -14 ° C (6,8 ° F).
Onderzoek heeft aangetoond dat hele dieren die ingevroren zijn in afwezigheid van cryobeschermende middelen, bij ontdooien levensvatbare cellen kunnen bevatten die intact DNA bevatten. Bijvoorbeeld, kernen van hersencellen van hele muizen die langer dan 15 jaar bij -20 ° C (-4 ° F) zijn bewaard, zijn gebruikt om lijnen van embryonale stamcellen te genereren. Deze cellen werden vervolgens gebruikt om muisklonen te produceren.
