Kryobiologie ist der Zweig der Biologie, die die Effekten von niedrigen Temperaturen auf Wesen studiert. Die Wortkryobiologie wird aus den griechischen Wörtern "cryo" = Kälte, "bios" = Leben und "Firmenzeichen" = Wissenschaft abgeleitet. In der Praxis ist Kryobiologie die Studie des biologischen Materials oder der Systeme bei Temperaturen unter dem normalen. Materialien oder studierte Systeme können Proteine, Zellen, Gewebe, Organe oder ganze Organismen einschließen. Temperaturen können sich von gemäßigt hypothermic Bedingungen zu kälteerzeugenden Temperaturen erstrecken.

Gebiete der Studie

Mindestens 6 Hauptgebiete der Kryobiologie können identifiziert werden: 1) Studie der kalten Anpassung von Kleinstlebewesen, Werke (kalte Widerstandsfähigkeit), und Tiere, sowohl wirbellose Tiere als auch Wirbeltiere (einschließlich des Winterschlafs), 2) cryopreservation Zellen, Gewebe, Geschlechtszellen und Embryos des Tieres und menschlichen Ursprungs zu (medizinischen) Zwecken der langfristigen Lagerung durch das Abkühlen zu Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser. Das verlangt gewöhnlich die Hinzufügung von Substanzen, die die Zellen während des Einfrierens und Auftauens (cryoprotectants), 3) Bewahrung von Organen unter hypothermic Bedingungen für Versetzung, 4) lyophilization (gefriertrocknend) von Arzneimitteln, 5) cryosurgery, einer (minimal) angreifenden Annäherung für die Zerstörung des ungesunden Gewebes mit kälteerzeugendem Benzin/Flüssigkeiten, und 6) Physik des Unterkühlens schützen, nucleation/growth und Maschinenbau-Aspekte der Wärmeübertragung während des Abkühlens und Wärmens in Bezug auf biologische Systeme mit Eis kühlen. Kryobiologie würde cryonics, die niedrige Temperaturbewahrung von Menschen und Säugetieren mit der Absicht des zukünftigen Wiederauflebens einschließen, obwohl das nicht ein Teil der Hauptströmungskryobiologie ist, schwer von der spekulativen Technologie noch abhängend, um erfunden zu werden. Mehrere dieser Gebiete der Studie verlassen sich auf die Kryogenik, den Zweig der Physik und Technik, die die Produktion und den Gebrauch von sehr niedrigen Temperaturen studiert

Cryopreservation in der Natur

Viele lebende Organismen sind im Stande, verlängerte Zeitspannen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser zu dulden. Die meisten lebenden Organismen sammeln cryoprotectants wie Anti-Nucleating-Proteine, polyols, und Traubenzucker an, um sich gegen den Frostschaden durch scharfe Eiskristalle zu schützen. Die meisten Werke können insbesondere Temperaturen −4 °C zu −12 °C sicher erreichen.

Bakterien

Drei Arten von Bakterien, Carnobacterium pleistocenium, sowie Chryseobacterium greenlandensis und Herminiimonas glaciei, sind wie verlautet nach dem Überleben seit Tausenden von im Eis eingefrorenen Jahren wiederbelebt worden.

Bestimmte Bakterien, namentlich Pseudomonas syringae, erzeugen spezialisierte Proteine, die als starkes Eis nucleators dienen, den sie verwenden, um Eisbildung auf der Oberfläche von verschiedenen Früchten und Werken an ungefähr −2 °C zu zwingen. Die eiskalten Ursache-Verletzungen im Epithel und machen die Nährstoffe in den zu Grunde liegenden für die Bakterien verfügbaren Pflanzengeweben.

Werke

Viele Werke erleben das genannte Härten eines Prozesses, das ihnen erlaubt, Temperaturen unter 0 °C seit Wochen zu Monaten zu überleben.

Tiere

Wirbellose Tiere

Fadenwürmer, die unter 0 Graden C überleben, schließen Trichostrongylus colubriformis und Panagrolaimus davidi ein. Küchenschabe-Nymphen (japanische Quitte von Periplaneta) überleben kurze Perioden des Einfrierens an-6 zu-8 °C. Der rote flache Rinde-Käfer (Cucujus clavipes) kann überleben, zu-150 °C eingefroren. Die Fungus-Mücke Exechia nugatoria kann überleben, zu-50 °C durch einen einzigartigen Mechanismus eingefroren, wodurch sich Eiskristalle im Körper, aber nicht dem Kopf formen. Ein anderer mit dem Stopp toleranter Käfer ist Upis ceramboides. Sieh Kerbtier-Winterökologie und Frostschutzmittel-Protein. Ein anderes wirbelloses Tier, das zu Temperaturen unten zu-273 °C tolerant ist, ist der Wasserbär, ein extremophile.

Die Larven von Haemonchus contortus, ein Fadenwurm, können 44 an-196 °C eingefrorene Wochen überleben.

Wirbeltiere

Für den Holzfrosch (Rana sylvatica), im Winter, nicht weniger als können 45 % seines Körpers frieren und sich zum Eis drehen. "Eiskristalle formen sich unter der Haut und werden eingestreut unter den Skelettmuskeln des Körpers. Während des Stopps hören das Atmen des Frosches, Blutfluss und geschlagenes Herz auf. Das Einfrieren wird möglich durch Spezialproteine und Traubenzucker gemacht, die das intrazelluläre Einfrieren und den Wasserentzug verhindern." Der Holzfrosch kann bis zu 11 an-4 °C eingefrorene Tage überleben.

Andere Wirbeltiere, die bei Körpertemperaturen unter 0 °C überleben, schließen gemalte Schildkröten (Chrysemys picta), Laubfrosch von Gray (Hyla versicolor), Kasten-Schildkröten (Terrapene carolina) - 48 Stunden an-2 °C, Frühling peeper (Pseudacris crucifer), Strumpfbandnattern (Thamnophis sirtalis) - 24 Stunden an-1.5 °C, der Chor-Frosch (Pseudacris triseriata), sibirischer Salamander (Salamandrella keyserlingii), 24 Stunden an-15.3 °C, europäische allgemeine Eidechse (Lacerta vivipara) und Antarktischer Fisch wie Pagothenia borchgrevinki ein. Von solchem Fisch geklonte Frostschutzmittel-Proteine sind verwendet worden, um Frostwiderstand auf transgenic Werken zuzuteilen.

Professor Joshua Barr von Staines Cyrobiology Laboratorium in Middlesex (das Vereinigte Königreich) hat Experimente mit britischen Laubfröschen ausgeführt, um zu entdecken, ob sie auch Toleranz zu sehr niedrigen Temperaturen, ebenso wie ausgestellt, durch amerikanische Laubfrösche ausstellen. So weit sind Ergebnisse jedoch nicht überzeugend gewesen Professor Barr ist über die Zukunft optimistisch.

Überwinternde Arktische Boden-Eichhörnchen können Unterleibstemperaturen mindestens haben, Subnullunterleibstemperaturen seit mehr als drei Wochen auf einmal aufrechterhaltend, obwohl die Temperaturen am Kopf und Hals an 0 °C oder oben bleiben.

Angewandte Kryobiologie

Historischer Hintergrund

Kryobiologie-Geschichte kann zurück zur Altertümlichkeit verfolgt werden. Schon in in 2500 v. Chr. wurden niedrige Temperaturen in Ägypten in der Medizin verwendet. Der Gebrauch der Kälte wurde von Hippocrates empfohlen aufzuhören, zu verbluten und zu schwellen. Mit dem Erscheinen der modernen Wissenschaft hat Robert Boyle die Effekten von niedrigen Temperaturen auf Tieren studiert.

1949 war männliches Sperma cryopreserved zum ersten Mal durch eine Mannschaft von Wissenschaftlern, die von Christopher Polge (1926-2006) geführt sind. Das hat zu einem viel breiteren Gebrauch von cryopreservation heute, mit vielen Organen, Geweben und bei niedrigen Temperaturen alltäglich versorgten Zellen geführt. Große Organe wie Herzen werden gewöhnlich versorgt und, seit kurzen Zeiten nur, am kühlen, aber den nicht eiskalten Temperaturen für Versetzung transportiert. Zellsuspendierungen (wie Blut und Sperma) und dünne Gewebeabteilungen können manchmal fast unbestimmt bei der flüssigen Stickstoff-Temperatur (cryopreservation) versorgt werden. Menschliches Sperma, Eier und Embryos werden in der Fruchtbarkeitsforschung und den Behandlungen alltäglich versorgt. Kontrollierte Rate und das langsame Einfrieren sind gut gegründete Techniken den Weg gebahnt am Anfang der 1970er Jahre, die dem ersten menschlichen Embryo eingefrorene Geburt (Zoe Leyland) 1984 ermöglicht haben. Seitdem sind Maschinen, die biologische Proben mit programmierbaren Schritten oder kontrollierten Raten einfrieren, überall auf der Welt für den Menschen, das Tier und die Zellbiologie verwendet worden - 'unten' eine Probe frierend, um es für das schließliche Auftauen besser zu bewahren, bevor es, oder cryopreserved im flüssigen Stickstoff tief eingefroren wird. Solche Maschinen werden verwendet, um oocytes, Haut, Blutprodukte, Embryo, Sperma, Stammzellen und allgemeine Gewebebewahrung in Krankenhäusern, Tiermethoden und Forschungslaboratorien einzufrieren. Die Zahl von lebenden Geburten von 'langsamen eingefrorenen' eingefrorenen Embryos ist ungefähr 300,000 bis 400,000 oder 20 % der ungefähr 3 Millionen IVF Geburten. Dr Christopher Chen, Australien, hat die erste Schwangerschaft in der Welt mit langsamem eingefrorenem oocytes von einem britischen Kontrollierten Rate-Gefrierschrank 1986 gemeldet.

Cryosurgery (beabsichtigte und kontrollierte Gewebezerstörung durch die Eisbildung) wurde von James Arnott 1845 in einer Operation auf einem Patienten mit Krebs ausgeführt. Cryosurgery ist nicht üblich.

Bewahrungstechniken

Die Kryobiologie als eine angewandte Naturwissenschaft ist mit in erster Linie niedriger Temperaturbewahrung beschäftigt. Lagerung von Hypothermic ist normalerweise über 0 °C, aber unter normothermic (32 °C zu 37 °C) Säugetiertemperaturen. Die Lagerung durch cryopreservation wird andererseits in −80 °C zu −196 °C Temperaturreihe sein. Organe und Gewebe sind öfter die Gegenstände der hypothermic Lagerung, wohingegen einzelne Zellen die allgemeinsten Gegenstände cryopreserved gewesen sind.

Eine Faustregel in der hypothermic Lagerung besteht darin, dass jede 10 °C Verminderung der Temperatur durch eine 50-%-Abnahme im Sauerstoff-Verbrauch begleitet wird. Obwohl überwinternd haben Tiere Mechanismen angepasst, metabolische Unausgewogenheit zu vermeiden, die mit Hypothermie, hypothermic Organe vereinigt ist, und Gewebe, die für Versetzung aufrechterhalten werden, verlangen spezielle Bewahrungslösungen, Azidose zu entgegnen, hat Natriumspumpe-Tätigkeit niedergedrückt und hat intrazelluläres Kalzium vergrößert. Spezielle Organ-Bewahrungslösungen wie Viaspan (Universität der Lösung von Wisconsin), HTK und Celsior haben

gewesen entworfen für diesen Zweck. Diese Lösungen enthalten auch Zutaten, um Schaden durch freie Radikale zu minimieren, Ödem zu verhindern, den ATP Verlust usw. zu ersetzen.

Cryopreservation von Zellen wird durch die "Zwei-Faktoren-Hypothese" von amerikanischem cryobiologist Peter Mazur geführt, der feststellt, dass das übermäßig schnelle Abkühlen Zellen durch die intrazelluläre Eisbildung tötet und das übermäßig langsame Abkühlen Zellen entweder durch die Elektrolyt-Giftigkeit oder durch das mechanische Zerknittern tötet. Während des langsamen kühl werdenden Eises bildet extracellularly, Wasser veranlassend, Zellen osmotisch zu verlassen, dadurch sie dehydrierend. Intrazelluläres Eis kann viel zerstörender sein als Extracellular-Eis.

Für rote Blutzellen ist die optimale kühl werdende Rate sehr schnell (fast 100 °C pro Sekunde), wohingegen für Stammzellen die optimale kühl werdende Rate (1 °C pro Minute) sehr langsam ist. Cryoprotectants, wie DMSO (dimethyl sulfoxide) und Glyzerin, werden verwendet, um Zellen vor dem Einfrieren zu schützen. Eine Vielfalt von Zelltypen wird durch 10-%-DMSO geschützt. Cryobiologists versuchen, cryoprotectant Konzentration zu optimieren (sowohl Eisbildung als auch Giftigkeit minimierend) sowie Rate abkühlend. Zellen können an einer optimalen kühl werdenden Rate zu einer Temperatur zwischen −30 °C und −40 °C abgekühlt werden, bevor sie in den flüssigen Stickstoff getaucht werden.

Langsame kühl werdende Methoden verlassen sich auf die Tatsache, dass Zellen wenige nucleating Reagenzien enthalten, aber natürlich vorkommende verglasende Substanzen enthalten, die Eisbildung in Zellen verhindern können, die gemäßigt dehydriert worden sind. Einige cryobiologists suchen Mischungen von cryoprotectants für vollen vitrification (Nulleisbildung) in der Bewahrung von Zellen, Geweben und Organen. Methoden von Vitrification stellen eine Herausforderung in der Voraussetzung auf, um nach cryoprotectant Mischungen zu suchen, die Giftigkeit minimieren können.

Kryobiologie in Menschen

Menschliche Geschlechtszellen und 2, 4 und 8-Zellen-Embryos können cryopreservation an-196 °C seit 10 Jahren unter gut kontrollierten Laborbedingungen überleben.

Cryopreservation in Menschen hinsichtlich Unfruchtbarkeit schließt Bewahrung von Embryos, Sperma oder oocytes über das Einfrieren ein. Vorstellung, in vitro, wird versucht, wenn das Sperma geschmolzen und in die 'frischen' Eier eingeführt wird, werden die eingefrorenen Eier geschmolzen, und Sperma wird mit den Eiern gelegt, und zusammen werden sie zurück in die Gebärmutter gelegt, oder ein eingefrorener Embryo wird in die Gebärmutter eingeführt. Vitrification hat seine Störschübe und ist nicht so zuverlässig oder bewiesen wie das Einfrieren des fruchtbar gemachten Spermas, der Eier oder der Embryos als traditionelle langsame eiskalte Methoden, weil Eier allein zur Temperatur äußerst empfindlich sind. Viele Forscher frieren auch Eierstockgewebe in Verbindung mit den Eiern in Hoffnungen ein, dass das Eierstockgewebe zurück in die Gebärmutter umgepflanzt werden kann, normale Eisprung-Zyklen stimulierend. In Sep haben 2004 Prof Donnez von Louvain in Belgien die erste erfolgreiche Eierstockgeburt vom eingefrorenen Eierstockgewebe gemeldet. 1997 wurden Proben des Eierstockkortexes von einer Frau mit dem lymphoma von Hodgkin genommen und in (Planer, das Vereinigte Königreich) kontrollierter Rate-Gefrierschrank cryo-bewahrt und dann im flüssigen Stickstoff versorgt. Chemotherapie wurde begonnen, und nachdem der Patient Früheierstockmisserfolg hatte. 2003, nach dem Stopp-Auftauen, orthotopic Autoversetzung des cortical Eierstockgewebes wurde durch Laparoskopie und fünf Monate nach Wiederimplantationszeichen angezeigte Wiederherstellung von regelmäßigen ovulatory Zyklen getan. Elf Monate nach der Wiederimplantation wurde eine lebensfähige Intragebärmutterschwangerschaft bestätigt, der auf die erste derartige lebende Geburt - ein Mädchen genannt Tamara hinausgelaufen ist.

Therapeutische Hypothermie, z.B während der Herzchirurgie auf einem "kalten" Herzen (erzeugt durch die Kälte perfusion ohne jede Eisbildung) berücksichtigt viel längere Operationen und verbessert Wiederherstellungsquoten für Patienten.

Wissenschaftliche Gesellschaften

Die Gesellschaft für die Kryobiologie wurde 1964 gegründet, um diejenigen von den biologischen, medizinischen und physischen Wissenschaften zusammenzubringen, die ein gemeinsames Interesse in der Wirkung von niedrigen Temperaturen auf biologischen Systemen haben. Bezüglich 2007 hatte die Gesellschaft für die Kryobiologie etwa 280 Mitglieder von der ganzen Welt, und eine Hälfte von ihnen ist die gestützten Vereinigten Staaten. Der Zweck der Gesellschaft ist, wissenschaftliche Forschung in der niedrigen Temperaturbiologie zu fördern, das wissenschaftliche Verstehen in diesem Feld zu verbessern, und diese Kenntnisse auf den Vorteil der Menschheit zu verbreiten und anzuwenden. Die Gesellschaft verlangt aller seiner Mitglieder die höchsten ethischen und wissenschaftlichen Standards in der Leistung ihrer Berufstätigkeiten. Gemäß den Statuten der Gesellschaft kann Mitgliedschaft Bewerbern verweigert werden, deren Verhalten schädlich für die Gesellschaft gehalten wird; 1982 wurden die Statuten ausführlich amendiert, um "jede Praxis oder Anwendung eiskalter verstorbener Personen im Vorgefühl ihrer neuen Belebung auszuschließen," über die Einwände von einigen Mitgliedern, die cryonicists wie Jerry Leaf waren. Die Gesellschaft organisiert eine jährliche wissenschaftliche allen Aspekten der Biologie der niedrigen Temperatur gewidmete Sitzung. Dieser internationale Versammlungsangebot-Gelegenheiten für die Präsentation und Diskussion der aktuellsten Forschung in der Kryobiologie sowie Prüfung spezifischer Aspekte durch Symposien und Werkstätten. Mitglieder werden auch informiert über Nachrichten und bevorstehende Sitzungen durch das Gesellschaftsrundschreiben, Nachrichtenzeichen behalten. Der 2011-2012 Präsident der Gesellschaft für die Kryobiologie ist John H. Crowe.

Die Gesellschaft für die Niedrige Temperaturbiologie wurde 1964 gegründet und ist eine Eingetragene Wohltätigkeit 2003 mit dem Zweck geworden, Forschung in die Effekten von niedrigen Temperaturen auf allen Typen von Organismen und ihren konstituierenden Zellen, Geweben und Organen zu fördern. Bezüglich 2006 hatte die Gesellschaft für die Niedrige Temperaturbiologie etwa 130 (größtenteils britisch und europäisch) Mitglieder und hält mindestens eine Jährliche Hauptversammlung. Das Programm schließt gewöhnlich sowohl ein Symposium auf einem aktuellen Thema als auch eine Sitzung von freien Kommunikationen über jeden Aspekt der niedrigen Temperaturbiologie ein. Neue Symposien haben langfristige Stabilität, Bewahrung von Wasserorganismen, cryopreservation Embryos und Geschlechtszellen, Bewahrung von Werken, niedriger Temperaturmikroskopie, vitrification (Glasbildung von wässrigen Systemen während des Abkühlens), Stopp-Trockner und Gewebebankwesen eingeschlossen. Mitglieder werden durch das Gesellschaftsrundschreiben informiert, das jetzt 3mal pro Jahr veröffentlicht wird. Der gegenwärtige Stuhl (2010-2011) der Gesellschaft für die Niedrige Temperaturbiologie ist Hugh Pritchard.

Zeitschriften

KRYOBIOLOGIE, (Herausgeber: Elsevier) ist die erste wissenschaftliche Veröffentlichung in diesem Gebiet, mit etwa 60 Schiedsrichter gewesenen Beiträgen veröffentlicht jedes Jahr. Artikel betreffen jeden Aspekt der niedrigen Temperaturbiologie und Medizin (z.B das Einfrieren, das Gefriertrocknen, der Winterschlaf, die kalte Toleranz und die Anpassung, cryoprotective Zusammensetzungen, medizinische Anwendungen der reduzierten Temperatur, cryosurgery, Hypothermie und perfusion von Organen).

CRYO BRIEFE sind gestützte schnelle Nachrichtenzeitschrift des unabhängigen Vereinigten Königreichs, die Papiere auf den Effekten veröffentlicht, die durch niedrige Temperaturen auf einem großen Angebot an biophysical und biologischen Prozessen oder Studien erzeugt sind, die mit niedrigen Temperaturtechniken in die Untersuchung von biologischen und ökologischen Themen verbunden sind.

ZELLBEWAHRUNGSTECHNOLOGIE ist eine von Experten begutachtete vierteljährliche wissenschaftliche Zeitschrift, die von Mary Ann Liebert, Inc. veröffentlicht ist, die dem verschiedenen Spektrum von Bewahrungstechnologien einschließlich cryopreservation, trockener Staat (anhydrobiosis), glasiger Staat und hypothermic Wartung gewidmet ist. Zellbewahrungstechnologie ist umbenannter Biopreservation und Biobanking gewesen und ist die offizielle Zeitschrift der Internationalen Gesellschaft für Biologische und Umweltbehältnisse (ISBER).

Zeichen

Siehe auch

• Frostschutzmittel-Protein
• Kryogenik
• Cryonics
• Cryopreservation
• Cryoprotectant
• Cryosurgery
• Cryptobiosis
• Das Einfrieren
• Stopp, der trocknet
• Winterschlaf
• Hypothermie
• Eis
• Kerbtier-Winterökologie
• Institut für Probleme von Cryobiology und Cryomedicine
• Organ-Verpflanzung
• Perfusion
• Gewebetechnik

Links

• Gesellschaft für die Kryobiologie
• Gesellschaft für die niedrige Temperaturbiologie
• KRYOBIOLOGIE
• CryoLetters
• Zellbewahrungstechnologie
• Zellkryobiologie und anhydrobiology
• Eine Übersicht der Wissenschaft hinter der Kryobiologie an der Wissenschaft Kreativer Vierteljährlicher