Эффективность криоконсервации. Разработана новая технология заморозки клеток человека

Ученые Московского государственного университета разработали методику укрепления клеточных мембран с помощью холестерина, что способствует увеличению их жизнеспособности при процедуре криогенного сохранения. Этот процесс широко применяется в биологических и медицинских исследованиях для долговременной сохранности клеток и тканей. Однако стандартные циклы замораживания и размораживания могут приводить к гибели более половины клеток. Новое исследование показало, что повышение уровня холестерина в мембранах клеток может улучшить результаты криогенного сохранения.

Для этого используются комплексы анионных карбоксиметилциклодекстринов и катионных липосом, которые формируют наночастицы с высокой способностью к хранению холестерина.

Работа была проведена в рамках проекта 23-Ш01-15 Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Исследования космоса: фундаментальные и прикладные аспекты». Результаты исследования опубликованы в журнале «Вестник Московского университета».

Криогенное сохранение биоматериалов открывает новые перспективы для развития биологии и медицины, позволяя сохранять генетический материал, способствует созданию банков тканей и является ключевым элементом репродуктивных технологий. В процессе замораживания клеток может возникать повреждение мембран из-за образования ледяных кристаллов и осмотического шока, что снижает их жизнеспособность.

Например, подвижность сперматозоидов и их морфологические характеристики могут ухудшаться на 30-70% после такой процедуры. Для минимизации этих негативных эффектов используются криопротекторные растворы с компонентами, проникающими в клетку, такими как глицерин, и не проникающими, например, дисахаридами трегалоза и сахароза. Однако наиболее эффективным методом для сохранения жизнеспособности клеток является укрепление мембран за счет увеличения содержания холестерина.

Одна из самых актуальных и сложных задач для нас – придумать эффективный способ доставки молекул холестерина в мембраны клеток, который можно было бы использовать в рутинных методах криоконсервации. В нашей научной группе предложили использовать олигосахариды – циклодекстрины – в качестве такого "доставщика" холестерина к мембранам клеток и добавить их как компоненты в криопротекторные среды для повышения выживаемости клеток при криоконсервации. В ходе работы мы установили, что включение молекул холестерина в производные бета-циклодекстринов позволяет создавать криопротекторные среды, обогащающие клеточные мембраны холестерином и повышающие их устойчивость к осмотическому шоку.

• Екатерина Симоненко, доцент кафедры биофизики физического факультета МГУ

Мы, в свою очередь, задались вопросом, как организовать взаимодействие комплексов циклодекстрин-холестерин с клеточной мембраной с максимальной эффективностью. Для этого мы создали биосовместимый наноконтейнер на основе катионной липосомы, поверхность которой покрыта молекулами карбоксиметил бета-циклодекстрина. Оказалось, что такой наноконтейнер способен транспортировать гидрофобные соединения, в том числе и холестерин, в количествах на порядок превышающих ёмкость традиционных липосомальных наноконтейнеров.

Андрей Сыбачин, доцент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ

Исследователи химического и физического факультетов МГУ совместно выяснили, что молекулы карбоксиметил циклодекстринов адсорбируются на липидных мембранах не по отдельности, а объединяются в надмолекулярные образования. Для визуализации этих структур была использована комбинация методов Лэнгмюр-Блоджетт и атомно-силовой микроскопии. Липидные монослои были подготовлены с различными концентрациями циклодекстринов, после чего образовавшиеся комплексы перенесли на подложку для анализа их морфологии.

Исследования показали, что вне зависимости от соотношения липидов и циклодекстринов, олигосахариды имеют склонность к образованию многоуровневых структур. При этом один катионный липид может связывать до десяти молекул циклодекстринов. Этот вывод имеет ключевое значение для разработки наноконтейнеров, предназначенных для доставки гидрофобных веществ. В стандартных липосомальных наноконтейнерах доля водонерастворимых биологических субстанций редко превышает 10%.

Поскольку β-циклодекстрин способен инкапсулировать от 0.5 до 1 молекулы гидрофобного вещества с ароматическим фрагментом, эффективность таких комплексных наноконтейнеров возрастает более чем в десять раз по сравнению с обычными липосомами. Это открытие делает использование олигосахаридов с катионной липосомой особенно перспективным для увеличения содержания холестерина в клеточных мембранах за счет более эффективной адсорбции.

Сейчас ведется работа по оптимизации состава наноконтейнера, подбора подходящего состава липидов, размера липосом, а также общего заряда. Помимо этого, также будет проверена гипотеза о возможном влиянии комплексного наноконтейнера на снижение образования кристаллов льда при криозаморозке сперматозоидов.

• Илья Григорян, студент физического факультета МГУ

Фото на обложке: МГУ