Кріобіологія

КРІОБІО­ЛО́ГІЯ (від кріо… і біологія) — роз­діл біо­логії, що ви­вчає структурно-функціональні властивості біо­логічних систем різного рівня організації при охолоджен­ні. К. досліджує механізми кріопо­­шкоджень, кріозахисту, природ. стійкості біол. обʼєктів до холоду та репарації після його дії; про­блеми за­стосува­н­ня гіпотер­мії, кріотерапії та кріоконсервованих біол. обʼєктів у лікуван­ні різних захворювань; роз­робляє засоби штуч. кріозахисту біол. систем різного рівня організації, технології кріоконсервува­н­ня біол. обʼєктів.

Дію низьких т-р на біол. обʼєкти спо­стерігали ще в давнину. Ові­дій, а також Пліній у 3–2 ст. до н. е. описали поведінку риб, які залишилися живими після роз­мерза­н­ня. 1701 нідерланд. при­родо­знавець А. Левенгук виявив, що при зволожен­ні сухого піску, який пере­зимував, у ньому зʼяв­ляються живі коловертки. Подіб­­ні екс­перименти з живими істотами здійснив італієць Л. Спал­ланцані 1787. Він провів паралель між оживле­н­ням висушених ко­ловерток та замерзлих жаб, саламандр, комах, вважаючи, що ці явища тісно повʼязані між собою. 1866 франц. дослідник Ф. Пуше, охолоджуючи жаб, молюсків, інфузорій та риб шляхом зануре­н­ня в суміш з льоду і солі, ді­йшов висновку, що в таких умовах швидко руйнуються ери­троцити, внаслідок чого тварини гинуть. Згодом нім. вчений Ф. Редель установив, що без­хребетні, які мають кровоносну систему, оживають після пов­­ного заморожува­н­ня (появи кри­сталів льоду у рідинах тіла).

На межі 19–20 ст. нім. фізіолог Р. Кокс стверджував, що холодно­кровні тварини оживають після охолодже­н­ня, якщо в їхньому організмі міститься незакри­сталіз. рідка частка. Швейцар. фізик М. Пітке встановив, що при т-рі –30 °С усі хім. реакції гальмуються і чим нижчий рівень організації мають живі істоти, тим нижчі температури вони можуть витримувати. За даними Ф. Кодіса, протоплазма клітин замороженої рослини від­чуває тиск з боку льодяних кри­сталів, що збільшуються у між­клітин­никах або між протоплазмою і оболонкою клітин. Водночас із мех. дією виникає кріопо­шкодже­н­ня клітин через зневоднювал. вплив низьких т-р. У результаті збільше­н­ня кри­сталів льоду у між­клітин. просторах зближуються колоїдні частини протоплазми.

Процес виморожува­н­ня води в живих системах ви­вчав П. Бахметьєв, звернувши увагу на те, що в дослідах із охолодже­н­ня живих систем від­сутні точні дані про зміну температури тіла тварин. Він об­ґрунтував явище фіз. пере­­­­охолодже­н­ня тканин. рідин і вперше довів можливість гальмува­н­ня актив. стану живої матерії за допомогою низьких т-р. Подальший роз­виток уче­н­ня про холодовий анабіоз здійснив М. Ка­лабухов. Він стверджував, що ступ. здатності до вижива­н­ня організму залежить від кількості утвор. льоду, на ступ. пере­охолодже­н­ня і швидкість виникне­н­ня льоду в клітинах впливає вміст вільної і звʼязаної води, цукрів, білків, солей та ін. роз­чин. компонентів цитоплазми. Знач. внесок у ви­вче­н­ня процесів кри­сталізації при охолоджен­ні біол. обʼєктів зробили амер. вчені Б. Люйє і П. Гехеніо, висловивши думку про те, що роз­шире­н­ня при кри­сталізації льоду призводить до руйнува­н­ня протоплазми клітин, а летал. по­шкодже­н­ня біол. обʼєктів при заморожуван­ні повʼязані з денатурацій. змінами макромоле­кул каталітич. білків. М. Московітц, М. Кельвін, а також Дж. Лав­лок виявили, що різка зміна температури впливає на роз­ташува­н­ня ліпід. компонентів, клітин. мем­­бран, а це призводить до зміни їхньої проникності та ін. власти­востей. В. Мілованова та І. Со­колова повʼязали дію температур. шоку не лише з блокува­н­ням аероб. диха­н­ня сперміїв, а і з процесом гліколізу. Ф. Ос­ташко зарахував температур. шок до явищ заг.-біол. порядку, оскільки йому під­корено більшість клітин тварин. і рослин. походже­н­ня. А. Білоус і В. Бондаренко описали роль фазових пере­ходів ліпідів та білків цитоскелета у механізмі роз­витку температур. шоку. Дослідж. ме­ханізмів кріопо­шкодже­н­ня клітини ініціював амер. кріобіо­лог П. Мейзур. Він ви­окремив два чин­ники цього процесу — надмірне зневодне­н­ня клітин та внутр.-клітин­ну кри­сталізацію. Водночас із цими дослідж. Г. Ме­рімен виявив, що клітини по­шкоджують не тільки сольові, а й несольові роз­чини при під­вищен­ні осмолярності до за­значеної критич. величини. Він висунув гіпотезу мін. обʼєму клітини при заморожуван­ні, яка дала можливість уточнити деякі з механізмів стійкості клітин до нього. Л. Лозина-Лозинський вста­новив, що стійкість комах до наднизьких т-р під­вищується при пере­ході їх від актив. жит­тєдіяльності до діапаузи з на­ступ. загартува­н­ням.

Амер. вчений Дж. Бауст довів, що зниже­н­ня рівня енергет. обміну з пере­вагою гліколітич. процесів від­бувається на фоні накопиче­н­ня глікогену та жиру, які є джерелом енергет. матеріалу і сировиною для формува­н­ня захис. властивостей, зокрема цук­рів та гліцерину. К. Ґрін роз­робляє методи від­мива­н­ня, без­­перерв. перфузії і холодового зберіга­н­ня нирок для транс­­­плантації, запобіга­н­ня ушкоджен­ню органів через теплову та холодову ішемії, а також кріо­анальгезії для зня­т­тя хроніч. і післяоперац. болів. Разом із Б. Фул­лером він ви­вчає роль окислювал. стресу у клітинах і тканинах, що зберігаються в умовах гіпотермії, реперфузії й після транс­плантації органів (нирки, печінка). Пита­н­ня холодо­стійкості обʼєктів рослин. по­ходже­н­ня ви­вчали І. Туманов, О. Красавцев, М. Солов­йова. В. Грищенко та В. Тарасов об­ґрунтували нові тех. під­ходи, які дають можливість швидко заморозити ре­продуктивні клітини тварин й отримати витрифікований стан системи з висо­ким виходом жит­тє­здат. клітин на фоні низького вмісту кріо­протектора у середовищі заморожува­н­ня.

Засн. вче­н­ня про кріозахисні речовини вважають М. Максимова. За допомогою дослідів із заморожува­н­ня рослин виявлено захисну дію цукрів, зокрема глюкози і цукрози, одно- й багатоатом. спиртів, серед яких з успіхом за­стосовано гліцерин. Як захисну ре­­човину гліцерин ви­пробували А. Берштейн і В. Петропа­вловський при заморожуван­ні спер­ми тварин, встановивши, що клітини в його присутності можуть пере­носити охолодже­н­ня до –21 °С. Згодом Ж. Ро­стан здійснив екс­перимент зі збереже­н­ня сперми жаби протягом 20 діб при т-рі –4–6 °С у сере­довищі, яке містило 10–20 % глі­церину, хоча його здатність захищати спермії ссавців від низь­ких т-р не встановив. Дж. Лавлок 1953 висловив думку про те, що в основі механізму дії гліцерину при заморожуван­ні лежить його здатність легко про­никати у клітини, бути роз­чин­ником і діяти як протисольовий буфер. Пізніше встановлено, що проникаючі у клітину кріо­протектори сприяють пере­охолоджен­ню внутр.-клітин. середовища та частковому пере­ходу його у нітрифікований стан, а також попереджають виникнен­ня на мем­брані високих градієнтів осмотич. концентрацій поза- і внутр.-клітин. роз­чину. 1957 Б. Дашевська і М. Глузман синтезували поліетиленоксиди різ­ної молекуляр. маси — продукти полімеризації закису етилену, які згодом викори­став М. Пушкар як кріо­протектори при консервуван­ні крові та кістк. мозку. 1959 Дж. Лавлок вказав на кріо­­протекторні властивості диме­тилсульфоксиду — одного з найвикористовуваніших під час кріоконсервації щільних тканин і органів кріо­протекторів. Кри­сталіч. стан еритроцитів людини, заморожених під захистом різних кріо­протекторів, ви­вчали Ф. Вино­град-Фінкель, М. Шраго, Р. Булатова, О. Воротилін, В. Манжелій. Нині в Україні існує декілька шкіл у ви­вчен­ні питань К. Наук. школа, започаткована В. Грищенком, досліджує про­блеми К. і кріомедицини сис­теми ре­продукції, ембріонал. клітин та тканин людини і тварин. Гол. напрямами її діяльності є ви­значе­н­ня впливу надшвидкого охолодже­н­ня в середовищі ба­гатокомпонент. нетоксич. кріоконсерванта на мем­бран. апарат, нуклеїн. кислоти, ферментатив­ні процеси, цитогенет. показники в ембріонах та сперміях людей і тварин; встановле­н­ня механізмів індукції репаратив. процесів у гаметах та ембріонах після кріоконсервації за допомогою біол. та фіз. чин­ників; зʼя­сува­н­ня природи неспецифіч. стійкості гамет і ембріонів риб до чин­ників кріоконсервації, впливу кріоконсервації на ембріонал. клітини печінки, кістк. мозку, під­шлунк. залози та ін. Кріобіо­хімію мем­бран. структур клітин ви­вчає наук. школа, якою керував А. Білоус. Осн. напрями її дослідж.: фундам. аспекти кріопо­шкоджень, кріозахисту та репарації мем­бран субклітин. структур і клітин; роль білків цитоскелета в адаптації клітин до температурно-осмотич. впли­ву; механізми по­шкодже­н­ня ком­понентів органів на мем­бран­но-клітин. рівні, об­ґрунтува­н­ня системи кріозахисту; внутр.-клітин­на регуляція метаболізму в екс­перим. умовах; механізми холодо­стійкості клітин адаптованих до холоду тварин та дії біо­молекул-адаптогенів, отримуваних з тканин цих тварин. Школа під керівництвом Г. Бабійчука ви­вчає центр. механізми терморегуляції при природ. і штуч. охолоджен­ні організму, а саме нейрохім. й електрофізіол. про­цеси охолодже­н­ня мозку, функції серц.-судин. системи людини і тварин при штуч. охолоджен­ні, механізми природ. та штуч. гіпобіо­зу, роль гематоенцефаліч. барʼєру в механізмі адаптації організму до холодового впливу, про­грамне охолодже­н­ня організму людини і тварин.

Імунобіол. аспектам дії холоду на живі системи клітини й тканини присвяч. діяльність науковців шко­ли під керівництвом А. Цуцаєвої та А. Гольцева. Гол. зав­да­н­нями школи є опис імунол. реакцій біол. систем на стрес. дію чин­ників холодового анабіо­зу; ви­вче­н­ня механізмів репарації не­легал. ушкоджень біол. обʼєктів після виходу зі стану холодового анабіо­зу й ан­гідробіо­зу, характеру та механізмів реакції біол. систем різних рівнів організації на пере­хід у стан холодового анабіо­зу й ан­гідробіо­зу; роз­робле­н­ня технологій кріоконсервува­н­ня і ліофілізації в біо­технол. виробництві, в гематології і транс­фузіології. Пред­ставники цієї школи об­ґрунтували концеп­цію, згідно з якою кріоконсервува­н­ня є чин­ником упр. станом біол. обʼєктів; досліджують умови за­стосува­н­ня низьких т-р, що цілеспрямовано змінює ком­понент. склад, імуноген­ні й імуномоделювал. характеристики кровотвор. клітин; ви­вчають вплив чин­ників кріоконсервува­н­ня на стан геному стовбур. та імунокомпетент. клітин на молекуляр. рівні. Під керівництвом В. Мойсеєва створ. і функціонує школа з низькотемператур. біо­­фізики, яка ви­значає структурні і функціон. зміни біо­макромолекул, штуч. та природ. мем­бран, їхню роль у кріопо­­шкодже­н­нях та процесах адаптації біо­систем до змін фіз.-хім. умов середовища; за допомогою неінвазій. методів ви­вчає температурну залежність процесів транс­мем­бран. пере­носу, метаболізму й внутр.-клітин. ре­гуляції клітин людини і тварин у нормі та при патології; досліджує явище ви­промінюва­н­ня елек­тромагніт. хвиль у водно-орган. твердій матриці при зміні температури. Ві­дома також школа з екс­перим. кріомедицини (кер. Б. Сандомирський). Наук. школа Є. Гордієнка досліджує фіз.-хім. механізми кріопо­шкодже­н­ня клітин, її пред­ставники об­ґрунтували двофазну теорію кріопо­шкоджень на етапах фіз.-мат. моделюва­н­ня процесів, що від­буваються під час заморожува­н­ня й ві­ді­гріва­н­ня біол. обʼєктів, а також багато­ступеневу модель заморожува­н­ня.

Важливе значе­н­ня у роз­витку К. мають дослідж. О. Петренка, Л. Бабійчук, Т. Бондаренко дії наднизьких т-р на структурно-функціон. особливості гемопоетич. і мезенхімал. стовбур. клі­тин фетального походже­н­ня, різних клітин ендокрин. системи. При Ін­ституті про­блем кріобіо­логії і кріомедицини НАНУ (Харків) створ. унікал. кріобанк довго­строк. зберіга­н­ня біол. обʼєктів, якому 2002 на­дано статус нац. на­дба­н­ня. Серед осн. досягнень сучас. К. — об­ґрунтува­н­ня струк­тур. гіпотези кріопо­шкоджень, яка від­водить важливе значе­н­ня термодинаміч., фіз.-хім. і біо­­хім. пере­будовам плазматич. мем­бран клітин як первіс. мішені кріо­впливу; роз­шифруван­ня механізмів кріопо­шкодже­н­ня й кріозахисту лізосомал. гідролаз і білоксинтезуючого апарату клітин; екс­перим. під­тверджен­ня гіпотези механізму роз­ʼєд­на­н­ня ферментатив. гідролізу АТФ з процесом транс­порту іона всередину мем­бран. везикул після низькотемператур. впливу; роз­робле­н­ня нового методу кріо­консервува­н­ня клітин крові. Крім того, роз­винено дослідж. природ. анабіо­зу простих і складних організмів, нейрофізіології процесів, які контролюють терморегуляцію й холодову адаптацію тварин і людини, механізмів дії охолодже­н­ня на метаболічні та фізіол. процеси у тканинах головного мозку і серц.-судин. системи; доведено здатність молекул деяких типів кріо­протекторів формувати комплекси з біо­катіонами та стабілізувати структуру біо­молекул у роз­чинах; ви­вчено кінетику деформації і зміни обʼєму клітин у процесі заморожува­н­ня, а також характер їхньої взаємодії з крис­талами льоду; побудовано фіз.-мат. моделі, що описують процеси осмотич. лізису і температур. шоку, зневодне­н­ня клітин і внутр.-клітин. кри­сталізації; вияв­лено новий механізм кріопо­­шкодже­н­ня клітин — мех.-елек­тричний; роз­роблено спосіб надшвидкого заморожува­н­ня сперми та ембріонів людини. Традиц. напрямом у К. ре­продуктив. системи є ви­вче­н­ня механізмів кріопо­шкоджень і кріозахисту сперми рідкіс., зникаючих та пром. видів риб. Створ. колекцій. кріобанк сперми риб, у якому при т-рі –196 °С зберігається понад 3 тис. зразків, що сприяє селекц. роботі. Роз­виток К. повʼязаний з інтенсифікацією кріоморфол. дослідж., які широко за­стосовують у ви­вчен­ні характеру ультра­структур. кріопо­шкоджень і репарації ізольов. клітин і тканин.

Як модел. обʼєкт використовують тка­нину рогівки, що дає змогу про­водити кореляцію між змін. структурно-функціон. показниками і жит­тє­здатністю тканини у прямому тесті — при транс­­­плантації. Ви­вче­н­ня динаміки активності окислюв.-від­новлювал. ферментів, ультра­структури клітин і внутр.-клітин. органел після гіпотерміч. впливу набуло подальшого роз­витку в аспекті залежності рівня адаптованості обʼєкта до змінених умов середовища (Т. Юрченко). Роз­виток технол. процесів кріоконсервува­н­ня біо­матеріалів нині неможливий без роз­робле­н­ня, синтезу й апробації кріо­протекторів і кріоконсервантів. Осн. зав­да­н­ня сучас. К.: виявле­н­ня закономірностей по­шкоджень і об­ґрунтува­н­ня методів захисту біол. обʼєктів від впливу холоду; роз­робле­н­ня способів та технол. процесів низькотемператур. консервації й ліофілізації біол. матеріалів для викори­ста­н­ня їх у медицині, біо­логії, га­лузях нар. господарства (тварин­ництві та ін.), створе­н­ня і ви­вче­н­ня захис. речовин (кріо­протекторів). Виріше­н­ня цих зав­дань можливе лише на основі комплекс. дослідж. з біо­логії, медицини, фізики, хімії тощо. Центром кріобіол. дослідж. є Ін­ститут про­блем кріобіо­логії і кріомедицини НАНУ.

Завантажити статтю