Criobiología

La criobiología es la rama de la biología que estudia los efectos de las bajas temperaturas sobre los seres vivos dentro de la criosfera de la Tierra o en la ciencia. La palabra criobiología se deriva de las palabras griegas κρῧος [kryos], "frío", βίος [bios], "vida", y λόγος [logos], "palabra". En la práctica, la criobiología es el estudio de material biológico o sistemas a temperaturas inferiores a lo normal. Los materiales o sistemas estudiados pueden incluir proteínas , células , tejidos , órganos u organismos completos . Las temperaturas pueden variar desde condiciones moderadamente hipotérmicas hasta temperaturas criogénicas .

Se pueden identificar al menos seis áreas principales de criobiología: 1) estudio de la adaptación al frío de microorganismos , plantas ( resistencia al frío ) y animales, tanto invertebrados como vertebrados (incluida la hibernación ), 2) criopreservación de células, tejidos, gametos y embriones de origen animal y humano para fines (médicos) de almacenamiento a largo plazo mediante enfriamiento a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua. Esto generalmente requiere la adición de sustancias que protegen las células durante la congelación y descongelación ( crioprotectores ), 3) preservación de órganos en condiciones hipotérmicas para trasplante , 4) liofilización ( secado por congelación ) de productos farmacéuticos , 5) criocirugía , un enfoque (mínimamente) invasivo para la destrucción de tejido no saludable utilizando gases/fluidos criogénicos, y 6) física del sobreenfriamiento , nucleación /crecimiento de hielo y aspectos de ingeniería mecánica de la transferencia de calor durante el enfriamiento y el calentamiento, tal como se aplica a los sistemas biológicos. La criobiología incluiría la criónica , la conservación a baja temperatura de seres humanos y mamíferos con la intención de resucitarlos en el futuro, aunque esto no forma parte de la criobiología convencional, ya que depende en gran medida de una tecnología especulativa que aún no se ha inventado. Varias de estas áreas de estudio se basan en la criogenia , la rama de la física y la ingeniería que estudia la producción y el uso de temperaturas muy bajas .

Muchos organismos vivos pueden tolerar períodos prolongados de tiempo a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua. La mayoría de los organismos vivos acumulan crioprotectores como proteínas antinucleares , polioles y glucosa para protegerse del daño causado por las heladas de los cristales de hielo afilados. La mayoría de las plantas, en particular, pueden alcanzar temperaturas de -4 °C a -12 °C sin problemas.

Se ha informado de que tres especies de bacterias, Carnobacterium pleistocenium , Chryseobacterium greenlandensis y Herminiimonas glaciei , han revivido después de sobrevivir durante miles de años congeladas en el hielo. Algunas bacterias, en particular Pseudomonas syringae , producen proteínas especializadas que sirven como potentes nucleadores de hielo, que utilizan para forzar la formación de hielo en la superficie de varias frutas y plantas a aproximadamente -2 °C. ^[1] La congelación causa lesiones en los epitelios y hace que los nutrientes de los tejidos vegetales subyacentes estén disponibles para las bacterias. ^[2] Listeria crece lentamente a temperaturas tan bajas como -1,5 °C y persiste durante algún tiempo en los alimentos congelados. ^[3]

Muchas plantas pasan por un proceso llamado endurecimiento que les permite sobrevivir a temperaturas inferiores a 0 °C durante semanas o meses. La criobiología de las plantas explora las adaptaciones celulares y moleculares que desarrollan las plantas para sobrevivir a temperaturas bajo cero, como las proteínas anticongelantes (AFP) y los cambios en la composición de las membranas. La criopreservación es una técnica fundamental en la criobiología de las plantas, que se utiliza para el almacenamiento a largo plazo de material genético y la preservación de especies en peligro de extinción mediante el mantenimiento de tejidos vegetales o semillas en nitrógeno líquido. La investigación en esta área tiene como objetivo mejorar la productividad agrícola en climas fríos, mejorar el almacenamiento de los recursos fitogenéticos y comprender los impactos del cambio climático en la biodiversidad vegetal. ^{[4] [5]}

Los nematodos que sobreviven por debajo de 0 °C incluyen Trichostrongylus colubriformis y Panagrolaimus davidi . Las ninfas de cucaracha ( Periplaneta japonica ) sobreviven períodos cortos de congelación a -6 a -8 °C. El escarabajo de corteza plana roja ( Cucujus clavipes ) puede sobrevivir después de ser congelado a -150 °C. ^[6] El mosquito de los hongos Exechia nugatoria puede sobrevivir después de ser congelado a -50 °C, por un mecanismo único por el cual se forman cristales de hielo en el cuerpo pero no en la cabeza. Otro escarabajo tolerante a la congelación es Upis ceramboides . ^[7] Ver ecología invernal de insectos y proteína anticongelante . Otro invertebrado que es brevemente tolerante a temperaturas de hasta -273 °C es el tardígrado .

Las larvas de Haemonchus contortus , un nematodo , pueden sobrevivir 44 semanas congeladas a -196 °C.

En el caso de la rana de bosque ( Rana sylvatica ), en invierno, hasta el 45% de su cuerpo puede congelarse y convertirse en hielo. "Los cristales de hielo se forman debajo de la piel y se intercalan entre los músculos esqueléticos del cuerpo. Durante la congelación, la respiración, el flujo sanguíneo y los latidos del corazón de la rana cesan. La congelación es posible gracias a proteínas especializadas y glucosa, que evitan la congelación intracelular y la deshidratación". ^{[8] [9]} La rana de bosque puede sobrevivir hasta 11 días congelada a -4 °C.

Otros vertebrados que sobreviven a temperaturas corporales inferiores a 0 °C son las tortugas pintadas ( Chrysemys picta ), las ranas arbóreas grises ( Hyla versicolor ), las ranas de páramo (Rana arvalis), las tortugas de caja ( Terrapene carolina - 48 horas a -2 °C), la rana sapo ( Pseudacris crucifer ), las serpientes de liga ( Thamnophis sirtalis - 24 horas a -1,5 °C), la rana coro ( Pseudacris triseriata ), la salamandra siberiana ( Salamandrella keyserlingii - 24 horas a -15,3 °C), ^[10] el lagarto común europeo ( Lacerta vivipara ) y peces antárticos como Pagothenia borchgrevinki . ^{[11] [12]} Las proteínas anticongelantes clonadas a partir de dichos peces se han utilizado para conferir resistencia a las heladas a las plantas transgénicas . ^{[ cita requerida ]}

Las ardillas terrestres del Ártico que hibernan pueden tener temperaturas abdominales tan bajas como -2,9 °C (26,8 °F), manteniendo temperaturas abdominales bajo cero durante más de tres semanas seguidas, aunque las temperaturas en la cabeza y el cuello permanecen a 0 °C o más. ^[13]

La historia de la criobiología se remonta a la antigüedad. Ya en el año 2500 a. C., en Egipto se utilizaban bajas temperaturas en medicina. Hipócrates recomendaba el uso del frío para detener hemorragias e hinchazones. Con la aparición de la ciencia moderna, Robert Boyle estudió los efectos de las bajas temperaturas en los animales.

En 1949, un equipo de científicos dirigido por Christopher Polge criopreservaron por primera vez semen de toro . ^[14] Esto condujo a un uso mucho más amplio de la criopreservación en la actualidad, con muchos órganos , tejidos y células almacenados rutinariamente a bajas temperaturas . Los órganos grandes, como los corazones, generalmente se almacenan y transportan, solo por períodos cortos, a temperaturas frescas pero no heladas para el trasplante . Las suspensiones celulares (como la sangre y el semen) y las secciones delgadas de tejido a veces se pueden almacenar casi indefinidamente en la temperatura del nitrógeno líquido ( criopreservación ). Los espermatozoides, los óvulos y los embriones humanos se almacenan rutinariamente en investigaciones y tratamientos de fertilidad . La congelación lenta y a velocidad controlada son técnicas bien establecidas que se iniciaron a principios de los años 70 y que permitieron el primer nacimiento congelado de embriones humanos (Zoe Leyland) en 1984. Desde entonces, en todo el mundo se han utilizado máquinas que congelan muestras biológicas mediante pasos programables o velocidades controladas para la biología humana, animal y celular: se "congela" una muestra para preservarla mejor para su posterior descongelación, antes de congelarla en profundidad o criopreservarla en nitrógeno líquido. Estas máquinas se utilizan para congelar ovocitos, piel, productos sanguíneos, embriones, esperma, células madre y la conservación general de tejidos en hospitales, consultorios veterinarios y laboratorios de investigación. El número de nacimientos vivos a partir de embriones "congelados lentamente" es de unos 300.000 a 400.000, o el 20% de los 3 millones de nacimientos fertilizados in vitro que se estima que se producen. El Dr. Christopher Chen, de Australia, informó del primer embarazo del mundo en el que se utilizaron ovocitos congelados lentamente de un congelador británico a velocidad controlada en 1986.

La criocirugía (destrucción intencionada y controlada de tejidos mediante la formación de hielo) fue realizada por James Arnott en 1845 en una operación a un paciente con cáncer.

La criobiología como ciencia aplicada se ocupa principalmente de la conservación a baja temperatura. El almacenamiento hipotérmico se realiza normalmente a temperaturas superiores a 0 °C pero inferiores a las temperaturas normotérmicas (32 °C a 37 °C) de los mamíferos. El almacenamiento mediante criopreservación, por otro lado, se realizará en el rango de temperatura de -80 a -196 °C. Los órganos y tejidos son los objetos más frecuentemente almacenados en condiciones hipotérmicas, mientras que las células individuales han sido los objetos criopreservados más comunes.

Una regla general en el almacenamiento hipotérmico es que cada reducción de 10 °C en la temperatura se acompaña de una disminución del 50% en el consumo de oxígeno . ^[15] Aunque los animales que hibernan han adaptado mecanismos para evitar los desequilibrios metabólicos asociados con la hipotermia, los órganos y tejidos hipotérmicos que se mantienen para el trasplante requieren soluciones de conservación especiales para contrarrestar la acidosis , la actividad deprimida de la bomba de sodio y el aumento del calcio intracelular . Se han diseñado soluciones especiales de conservación de órganos como Viaspan (solución de la Universidad de Wisconsin), HTK y Celsior para este propósito. ^[16] Estas soluciones también contienen ingredientes para minimizar el daño de los radicales libres , prevenir el edema , compensar la pérdida de ATP , etc.

La criopreservación de células se rige por la "hipótesis de dos factores" del criobiólogo estadounidense Peter Mazur ^{[ enlace muerto permanente ]} , que afirma que el enfriamiento excesivamente rápido mata las células por formación de hielo intracelular y el enfriamiento excesivamente lento mata las células ya sea por toxicidad electrolítica o aplastamiento mecánico. ^[17] Durante el enfriamiento lento, se forma hielo extracelularmente, lo que hace que el agua abandone las células por ósmosis , deshidratándolas . El hielo intracelular puede ser mucho más dañino que el hielo extracelular.

Para los glóbulos rojos , la velocidad de enfriamiento óptima es muy rápida (casi 100 °C por segundo), mientras que para las células madre la velocidad de enfriamiento óptima es muy lenta (1 °C por minuto). Los crioprotectores, como el dimetilsulfóxido y el glicerol , se utilizan para proteger las células de la congelación. Una variedad de tipos de células están protegidos por el 10% de dimetilsulfóxido. ^[18] Los criobiólogos intentan optimizar la concentración de crioprotector (minimizando tanto la formación de hielo como la toxicidad) y la velocidad de enfriamiento. Las células pueden enfriarse a una velocidad óptima a una temperatura entre −30 y −40 °C antes de sumergirlas en nitrógeno líquido.

Los métodos de enfriamiento lento se basan en el hecho de que las células contienen pocos agentes nucleantes , pero contienen sustancias vitrificantes naturales que pueden evitar la formación de hielo en células que han sido moderadamente deshidratadas. Algunos criobiólogos están buscando mezclas de crioprotectores para la vitrificación completa (formación cero de hielo) en la conservación de células, tejidos y órganos. Los métodos de vitrificación plantean un desafío en el requisito de buscar mezclas crioprotectoras que puedan minimizar la toxicidad.

Los gametos humanos y los embriones de dos, cuatro y ocho células pueden sobrevivir a la criopreservación a -196 °C durante 10 años en condiciones de laboratorio bien controladas. ^[19]

La criopreservación en humanos en relación con la infertilidad implica la preservación de embriones, espermatozoides u ovocitos mediante congelación. La concepción, in vitro , se intenta cuando el esperma se descongela y se introduce en los óvulos "frescos", los óvulos congelados se descongelan y el esperma se coloca con los óvulos y juntos se colocan nuevamente en el útero o se introduce un embrión congelado en el útero. La vitrificación tiene fallas y no es tan confiable o probada como la congelación de espermatozoides, óvulos o embriones fertilizados como los métodos tradicionales de congelación lenta porque los óvulos solos son extremadamente sensibles a la temperatura. Muchos investigadores también congelan tejido ovárico junto con los óvulos con la esperanza de que el tejido ovárico pueda trasplantarse nuevamente al útero, estimulando los ciclos de ovulación normales. En 2004, Donnez de Lovaina en Bélgica informó el primer nacimiento ovárico exitoso a partir de tejido ovárico congelado. En 1997, se tomaron muestras de corteza ovárica de una mujer con linfoma de Hodgkin y se criopreservaron en un congelador de velocidad controlada (Planer, Reino Unido) y luego se almacenaron en nitrógeno líquido. Se inició la quimioterapia después de que la paciente sufriera una insuficiencia ovárica prematura. En 2003, después de la congelación-descongelación, se realizó un autotrasplante ortotópico de tejido cortical ovárico por laparoscopia y después de cinco meses, los signos de reimplantación indicaron la recuperación de los ciclos ovulatorios regulares. Once meses después de la reimplantación, se confirmó un embarazo intrauterino viable, que dio como resultado el primer nacimiento vivo de este tipo: una niña llamada Tamara. ^[20]

La hipotermia terapéutica , por ejemplo durante una cirugía cardíaca en un corazón "frío" (generado por perfusión fría sin formación de hielo) permite operaciones mucho más prolongadas y mejora las tasas de recuperación de los pacientes.

La Sociedad de Criobiología fue fundada en 1964 para reunir a aquellos de las ciencias biológicas, médicas y físicas que tienen un interés común en los efectos de las bajas temperaturas en los sistemas biológicos . En 2007, la Sociedad de Criobiología tenía alrededor de 280 miembros de todo el mundo, y la mitad de ellos están radicados en los Estados Unidos. El propósito de la Sociedad es promover la investigación científica en biología de baja temperatura, mejorar la comprensión científica en este campo y difundir y aplicar este conocimiento en beneficio de la humanidad. La Sociedad exige a todos sus miembros los más altos estándares éticos y científicos en el desempeño de sus actividades profesionales. Según los estatutos de la Sociedad , se puede rechazar la membresía a los solicitantes cuya conducta se considere perjudicial para la Sociedad; en 1982, los estatutos se modificaron explícitamente para excluir "cualquier práctica o aplicación de congelación de personas fallecidas en previsión de su reanimación", a pesar de las objeciones de algunos miembros que eran crionicistas, como Jerry Leaf . ^[21] La Sociedad organiza una reunión científica anual dedicada a todos los aspectos de la biología de baja temperatura. Esta reunión internacional ofrece oportunidades para la presentación y discusión de las investigaciones más actualizadas en criobiología, así como para revisar aspectos específicos a través de simposios y talleres. Los miembros también se mantienen informados de las novedades y las próximas reuniones a través del boletín de la Sociedad, News Notes . El presidente de la Sociedad de Criobiología en 2011-2012 fue John H. Crowe. ^[22]

La Sociedad de Biología de Bajas Temperaturas fue fundada en 1964 y se convirtió en una organización benéfica registrada en 2003 ^[23] con el propósito de promover la investigación sobre los efectos de las bajas temperaturas en todos los tipos de organismos y sus células, tejidos y órganos constituyentes. En 2006, la sociedad tenía alrededor de 130 miembros (en su mayoría británicos y europeos) y celebra al menos una reunión general anual. El programa suele incluir un simposio sobre un tema de actualidad y una sesión de comunicaciones libres sobre cualquier aspecto de la biología de baja temperatura. Los simposios recientes han incluido estabilidad a largo plazo, preservación de organismos acuáticos, criopreservación de embriones y gametos , preservación de plantas, microscopía de baja temperatura , vitrificación (formación de vidrio de sistemas acuosos durante el enfriamiento), liofilización y bancos de tejidos . Los miembros son informados a través del Boletín de la Sociedad, que actualmente se publica tres veces al año.

Cryobiology (editorial: Elsevier ) es la publicación científica más importante en esta área, con aproximadamente 60 contribuciones arbitradas publicadas cada año. Los artículos se refieren a cualquier aspecto de la biología y la medicina de baja temperatura (por ejemplo, congelación, liofilización , hibernación, tolerancia y adaptación al frío, compuestos crioprotectores, aplicaciones médicas de temperatura reducida, criocirugía, hipotermia y perfusión de órganos).

Cryo Letters es una revista independiente de comunicación rápida con sede en el Reino Unido que publica artículos sobre los efectos producidos por las bajas temperaturas en una amplia variedad de procesos biofísicos y biológicos , o estudios que involucran técnicas de baja temperatura en la investigación de temas biológicos y ecológicos.

Biopreservation and Biobanking (anteriormente Cell Preservation Technology) es una revista científica trimestral revisada por pares publicada por Mary Ann Liebert, Inc. dedicada al diverso espectro de tecnologías de conservación, incluidas la criopreservación , el estado seco ( anhidrobiosis ) y el estado vítreo y el mantenimiento hipotérmico. Cell Preservation Technology ha cambiado su nombre a Biopreservation and Biobanking y es la revista oficial de la Sociedad Internacional de Repositorios Biológicos y Ambientales.

Problemas de criobiología y criomedicina (anteriormente 'Kriobiologiya' (1985-1990) y 'Problemas de criobiología' (1991-2012)) publicada por el Instituto de Problemas de Criobiología y Criomedicina. La revista cubre todos los temas relacionados con la biología, la medicina y la ingeniería de baja temperatura. ^[24]

• Criptobiosis
• Criopreservación estabilizada con aldehído

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Criobiología .

• Tecnología de preservación celular
• Criobiología celular y anhidrobiología
• Una descripción general de la ciencia detrás de la criobiología en Science Creative Quarterly