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, не известно не до конца, — но удивительно уже и то, что хоть как-то нейроны 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. Витрификация охлаждает жидкости очень быстро, чтобы зафиксировать неорганизованные молекулы, прежде чем они успеют 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 обратно 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, что 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 до 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 криоконсервации целых органов, в частности сердца.
К сожалению, авторы исследования добавляют, что такие применения, как долгосрочное хранение крупных органов млекопитающих, все еще далеки. Мышиный мозг маленький, и то все получилось не с первого раза. А у крупных органов возникают серьезные проблемы, связанные с ограничениями теплопередачи и с более высокими термомеханическими напряжениями, которые могут вызвать растрескивание «остекленевшего» органа.
Но прогресс в криобиологии все заметней. 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: мягкую, обесцвеченную и потерявшую свежий вкус ягоду.
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, — как кубик льда, брошенный в стакан с водой.
Эти проблемы пробуют решать разными способами — например, заморозкой под высоким давлением. Начали еще в 80-е с заморозки мышиных эмбрионов из десятков клеток, потом стали применять заморозку человеческих эмбрионов из сотни клеток, а теперь постепенно подбираются к крупным органам.