Криоконсервация: отмороженный мозг заработал?
Исследователи из Германии продемонстрировали, что замороженный особым методом мозг после разморозки способен функционировать. Речь, правда, о мозге мыши, и, насколько он восстановился, известно не до конца. Но удивительно уже то, что нейроны хоть как-то заработали. У нас в мозгу нейроны, по сути, такие же. Неужели приближается день, когда можно будет создавать банки органов, погружать космонавтов в анабиоз, спасать мозг после гибели тела или даже отправлять его в будущее в надежде на разморозку в более счастливом мире, как мечтают крионисты?
Основная причина, по которой мозг с трудом восстанавливается после замораживания, — повреждения, вызванные образованием кристаллов льда. Они прокалывают клеточные стенки, ломают всякие наноструктуры, нарушая ключевые клеточные процессы. Поэтому исследователи обратились к методу криоконсервации без образования льда, называемому витрификацией. Этот метод в разных вариациях существует уже довольно давно, но все еще работает неидеально. При витрификации жидкости охлаждаются настолько быстро, что молекулы не успевают образовать кристаллы льда. В результате живая ткань сохраняется в стекловидном состоянии, все молекулы внутри замирают.
Неужели такую ткань, в которой полностью остановилось любое движение, можно вернуть к жизни? Исследователи тестировали свой метод на срезах мозга мышей толщиной 350 микрометров, включающих гиппокамп — очень важный участок мозга, отвечающий за кратковременную память, навигацию в пространстве и другие ключевые для сознания функции. Срезы мозга, обработанные раствором с криоконсервирующими веществами, быстро охлаждали жидким азотом до -196 °C. После этого их хранили в морозильной камере при -150 °C в стеклообразном состоянии от десяти минут до семи дней.
После размораживания срезов в теплых растворах команда проанализировала ткань, чтобы определить, сохранилась ли в ней какая-либо активность. Микроскопическое исследование показало, что нейронные и синаптические мембраны были целыми, а тесты на митохондриальную активность не выявили метаболических повреждений. Электрофизиологические записи нейронов показали, что реакция нейронов на электрические стимулы была близка к норме.
«Ключевые особенности гиппокампа сохраняются, включая структурную целостность, метаболическую реактивность, нейронную возбудимость, а также синаптическую передачу и пластичность. Примечательно, что долговременная потенциация гиппокампа хорошо сохранилась, а это указывает на то, что клеточный механизм обучения и памяти остается работоспособным», — делают вывод исследователи. Однако поскольку такие срезы естественным образом деградируют, наблюдения ограничивались несколькими часами.
В следующем эксперименте исследователи работали уже с целым мозгом мыши, поддерживая его в стекловидном состоянии при температуре -140 ºC в течение почти восьми дней. После размораживания мозга были приготовлены срезы, и записи из гиппокампа подтвердили, что нейронные пути, включая участвующие в формировании памяти, сохранили функциональность.
«У нас уже есть предварительные данные, демонстрирующие жизнеспособность после заморозки коры головного мозга человека», — говорят исследователи. Команда также изучает возможность использования метода витрификации для заморозки целых органов, в частности сердца.
К сожалению, авторы исследования добавляют, что до такого применения, как долгосрочное хранение крупных органов млекопитающих, все еще далеко. Мышиный мозг маленький, и то все получилось не с первого раза. А в случае с крупными органами возникают серьезные проблемы, связанные с ограничениями теплопередачи и более высокими термомеханическими напряжениями, которые могут вызвать растрескивание «остекленевшего» органа.
Но прогресс в криобиологии все заметнее. В последние годы в области криоконсервации произошло сразу несколько прорывов — после десятилетий застоя.
А что с другими органами?
Во многих лабораториях мира биоинженеры учатся охлаждать живые ткани, органы и даже целые организмы, а затем возвращать их к жизни. Например, научились замораживать почки крыс, затем отогревать их, имплантировать живым крысам — и почки работают!
Эта технология может спасти огромное число жизней. Сейчас органы умеют хранить лишь несколько часов, поэтому более 60% донорских сердец и легких не доходят до реципиента и, по оценкам Всемирной организации здравоохранения, менее 10% людей, нуждающихся в пересадке органов, действительно ее получают.
В последние годы криолаборатории успешно замораживали и оживляли кусочки кораллов, личинок мух, эмбрионы рыб... Осваивают щадящие методы охлаждения самых разных объектов (от томатов до целой свиной печени) до температуры чуть ниже точки замерзания, без образования льда, сохраняя их свежими неделями. Некоторые животные, кстати, и сами на такое способны: например, лесная лягушка (Rana sylvatica) может выживать в частично замерзшем состоянии в течение нескольких месяцев в Арктике. Секреты лягушки тоже изучают.
Ученые надеются создать криобанки тканей, таких как кожа, органов и даже конечностей. Криоконсервация важна и для многих других областей — от сохранения исчезающих видов до хранения продуктов. В итоге любые органы и ткани станут доступными.
Если живую ткань просто заморозить, кристаллы льда пронзают клетки, как ножи, а соли в клеточных жидкостях концентрируются до токсичных уровней в частях тканей, которые замерзают последними. Любой, кто замораживал и размораживал клубнику, видел результат — мягкая, обесцвеченная и потерявшая свежий вкус ягода.
Поэтому ученые заменяют часть воды криопротекторами — химическими веществами, подобными антифризу в радиаторе автомобиля. Криопротекторы создают из воды вязкую жидкость, препятствующую образованию кристаллов льда. Благодаря криопротекторам и стала возможна витрификация, когда, как с мышиным мозгом, пропитанным криопротекторами, при быстром охлаждении с помощью жидкого азота до температуры -196 °C лед не успевает образоваться: молекулы воды не выстраиваются в кристаллы — и получается твердое, гладкое, похожее на стекло вещество.
Свои проблемы создает и нагревание: если ткань нагревается слишком медленно, кристаллы льда могут образоваться при приближении к точке замерзания, а при неравномерном нагреве напряжения, вызванные неравномерным расширением или сжатием, могут расколоть ткань, словно это кубик льда, брошенный в стакан с водой.
Эти проблемы пробуют решать разными способами — например, заморозкой под высоким давлением. Начали еще в 1980-е с заморозки мышиных эмбрионов из десятков клеток, потом стали применять заморозку человеческих эмбрионов из сотни клеток, а теперь постепенно подбираются к крупным органам.