4. Четверть века назад нами была обнаружена
закономерность, указывающая на существовании в
природе такого, ещё неизвестного науке проявления
жизнеспособности как КЛАТОБИОЗ
Его достоверность подкреплена рядом успешных и
независимых исследований
Уже сегодня в рамках самой криобиологии происходит
формирование совершено нового направления под
общим названием «Клатратная криоконсервация»
Что можно отметить и по заинтересованности в
проведении семинара «Криоконсервация органов и
тканей», организованного Фондом перспективных
исследований 20.02.14 года
5.
6. Ещё в 1912 году русский учёный-
ботаник Максимов Н.А. (1880—
1952) при переохлаждении
биологической ткани
растительной природы открыл
защитное действие глицерина.
Это судьбоносное событие и
положило начало науке, которая
сформировалась в известную
всем нам сегодняшнюю
криобиологию лишь к средине
ХХ века
7. К настоящему
времени уже
выработалось
понимание того,
что коль речь
заходит вообще о
«криоконсервации»,
то сразу же
подразумевается —
биологические
объекты (клетки,
ткани, органы,
простейшие
организмы)
пребывают именно
в анабиозе
13. Анабиоз — это
существование
организмов и их частей в
состоянии временного
обратимого
прекращения
жизнедеятельности в
результате выведения
свободной
(биологически активной)
воды из биохимических
взаимодействий в
клетке.
14. Так человеческий
организм на 78%
состоит из воды.
Самая большая
насыщенность водой
в тканях головного
мозга, печени,
паренхиматозных
органах.
Даже кости на 20%
состоят из воды, а
зубы на 10%
17. В самой же
клетке вода
находится в
двух формах:
свободной
и связанной.
Вода составляет
до 80% её массы.
Из всей этой
клеточной воды
свободная вода
составляет 95 %
18. Свободная
вода участвует в
биохимических
реакциях.
В ней растворены
органические и
минеральные вещества.
При высушивании и
замораживании
свободная вода легко
удаляется.
При удалении свободной
воды гибели клетки не
происходит.
19. Связанной называют воду,
молекулы которой
физически или химически
соединены с другими
веществами.
Она не растворяет
кристаллы, не активизирует
многие биохимические
процессы.
Связанная вода входит в
состав коллоидов клетки и с
трудом высвобождается из
них.
С потерей связанной воды
нарушаются клеточные
структуры, и наступает
гибель клетки.
21. Снижение содержания
свободной (биологически
активной) воды и есть
физико-химическая основа
перехода к любому из трёх
известных на сегодня видов
анабиоза.
А это есть «анабиоз в
результате высыхания»,
«анабиоз в результате
глубокого охлаждения»,
«анабиоз в результате
нахождения в среде с
высокой концентрацией
солей и высоким
осмотическим давлением»
23. При анабиозе в
результате
глубокого
охлаждения (по-
другому — это
«криоанабиоз»),
иммобилизация
свободной воды
происходит только
путём образования
обычного льда (в
виде кристаллов или
в аморфном
стеклообразном
состоянии).
30. КРИОПРОТЕКТОРЫ (~100)
ПРОНИКАЮЩИЕ —
ЭНДОЦЕЛЛЮЛЯРНЫЕ (диметил-
сульфоксид, глицерин, глюкоза,
…):
— Снижают температуру замерзания
— Образуют водородные связи
с молекулами воды, чем и
препятствуют формированию
кристаллов льда
— Связывают часть свободной воды,
что уменьшает общую дегидратацию
клеток
— Разбавляют образующийся при
кристаллизации «рассол», не давая
белкам денатурироваться
— Стабилизируют структуру
макромолекул клетки за счёт
образования с ними водородных
связей
НЕПРОНИКАЮЩИЕ —
ЭКЗОЦЕЛЛЮЛЯРНЫЕ
(полиэтиленоксид,
поливинилпирролидон, …) :
— Препятствуют росту
кристаллов внеклеточного льда
— Препятствуют осмотическим
перепадам
— Способствуют снижению
концентрации ПРОНИКАЮЩИХ,
а значит и токсичности
последних
— Защищают плазматические
мембраны
44. Криоконсервация
хорошо отработана
лишь на объектах,
имеющих радиус не
более 1-го
миллиметра.
Ведь отношение
поверхности и объема
у органов очень далеко
от необходимого для
этого оптимума.
Чем больше орган, тем
меньше соотношение
поверхности и объема.
45. В КРИОБИОЛОГИИ ВСЁ, ЧТО БОЛЕЕ
1-ГО МИЛЛИМЕТРА ОТНОСИТСЯ К
«КРУПНЫМ» БИОЛОГИЧЕСКИМ
ОБЪЕКТАМ
46. Таким образом, вне
зависимости
от используемых методов
и скоростей замораживания
невозможно
криоконсервировать,
а затем вернуть к жизни
целый организм человека
47. А ЕСТЬ ЕЩЁ СВОЯ — «ПЕРСОНАЛЬНАЯ»
ПРОБЛЕМА ПРИ ЗАМОРАЖИВАНИИ
ВЫСШЕГО МЛЕКОПИТАЮЩЕГО
48. Защитой нервных клеток
от вредных веществ (в том числе
и криопротекторов) служит
гематоэнцефалический барьер
(ГЭБ).
Поэтому при замораживании
всего организма, эти клетки, как
наиболее слабое звено,
разрушатся в первую очередь.
Криопротекторы просто не в
состоянии сюда проникнуть !
55. Даже для замораживания
самого обычного цветка
необходимо достаточно
продолжительное время его
пребывания в жидком азоте
Отчасти это связано и с
весьма низкой
теплоёмкостью азота
56. Низкое отношение
поверхности
замораживаемого органа к
его объёму создаёт
существенные затруднения
для теплопереноса в
процессе охлаждения и
приводит к появлению
высоких температурных
градиентов и ими
обусловленных градиентов
давления по всему объёму
органа
57. Да и сами жидкие
криопротекторы
неравномерно
распределяются в
объёме крупного
биообъекта
(например, в
органе
млекопитающего)
и потому плохо
защищают от
повреждений
значительную
часть его клеток
59. «КРИОКОНСЕРВАЦИЯ ОРГАНОВ
ЯВЛЯЕТСЯ ПРОБЛЕМОЙ, НЕ
РАЗРЕШЁННОЙ НИ В
ТЕОРЕТИЧЕСКОМ, НИ В
ПРАКТИЧЕСКОМ ОТНОШЕНИИ»
[ШУМАКОВ], А «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИЧИНАХ И
МЕХАНИЗМАХ КРИО-
ПОВРЕЖДЕНИЯ И КРИОЗАЩИТЫ
ПРЕДСТАВЛЯЮТ СОБОЙ
СОВОКУПНОСТЬ РАЗРОЗНЕННЫХ
КОНЦЕПЦИЙ С ОГРАНИЧЕННОЙ
ОБЛАСТЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ»
[БЕЛОУС]
65. Гидрат метана стабилен
при температуре 0 °C и
давлении порядка 25
бар и выше.
Такое давление имеет
место на глубине океана
около 250 м.
При атмосферном
давлении гидрат метана
сохраняет устойчивость
при температуре −80 °C.
70. Основатель токсикологии в
СССР Лазарев Николай
Васильевич (1895—1974)
впервые предсказал
наркотические свойства
криптона и ксенона, показал,
что при небольших давлениях в
среде инертных газов
задерживаются скисание
молока и гниение мяса.
71. Лауреат Нобелевской премии
по химии Полинг Лайнус Карл
(1901 – 1994) взял за основу
многообещающие русские
исследования и разработал в
1961 году свою Новую
молекулярную теорию
наркоза. Он предположил,
что образующиеся при
нормальной температуре в
водной среде организма так
называемые
«микрокристаллогидраты»
инертных газов тормозят
биоэлектрическую активность
и клеточный метаболизм.
72. Американский химик Миллер
Стэнли Ллойд (1930 — 2007),
сотрудник известного
Калифорнийского университета,
обнаружил в Антарктиде
огромные залежи необычного
льда. Он сам же назвал этот
минерал – «клатратный лёд».
73. В 1970-е годы выдающийся
микробиолог Абызов Сабит
Салахутдинович с
соавторами провели
микробиологические
исследования кернов льда,
взятых с различных глубин-
горизонтов Антарктиды,
пользуясь специальным
стерильным бурением
девственного ледяного
панциря. Результатом
данной работы явилось
научное открытие «Явление
сверхдлительного анабиоза
у микроорганизмов».
74. Ещё во времена работы в
академической группе академика
Кованова В.В. мы обратили внимание
на парадоксальную жизнеспособность
микроорганизмов, пролежавших во
льдах Антарктиды до одного миллиона
лет, что и сопоставили с фактами
существования здесь же огромных
залежей «клатратного льда». Так
родилось предположение, что условия
низких температур и повышенных
давлений, при которых появляются
устойчивые клатратные соединения (в
том числе и в самих микроорганизмах),
вообще характерны для сохранения
биологических объектов в
жизнеспособном состоянии. И не
только во льдах Антарктики, но и во
всех других ледовых зонах Земли.
Именно эти качества присущи
клатратному анабиозу ,
обнаруженному нами ранее
75. Бактериям, попавшим
в древний лёд Земли миллионы лет назад, по всей видимости,
помогли остаться в живых газы атмосферы, образовавшие в
клетках клатраты
77. Суть неизвестной ранее науке закономерности,
экспериментально обнаруженной и теоретически
обоснованной нашим коллективом в том, что :
«биологические объекты, насыщенные
способными к гидратобразованию постоянными
и непостоянными составными частями
атмосферного воздуха, в условиях низких
температур и повышенного давления остаются
в жизнеспособном состоянии»
То есть, переходят к некоему анабиозу !
79. Клатратный анабиоз (от clathratus —
загороженный и от anabiosis — оживление) или
сокр. клатобиоз — существование организмов и
их частей в состоянии временного
обратимого прекращения жизнедеятельности в
результате выведения свободной (биологически
активной) воды из биохимических
взаимодействий в клетке — путём образования
клатратов
80. ИТАК. ПО СУТИ, БЫЛ ОБНАРУЖЕН
СОВЕРШЕННО НОВЫЙ ВИД АНАБИОЗА
Вот как это было…
81. В своё время Академик
Шумаков Валерий Иванович
(1931 — 2008) изучал в
эксперименте консервацию
тканей и органов в условиях
пониженных температур
(около-нулевые
положительные температуры)
и гипербарии инертными
газами, основанную на
эффекте Полинга.
82. Даже после 8-ми дней
консервации почки данным
методом не обнаруживаются
явно-выраженные
гистохимические и
гистоморфологические
изменения
87. ВЫБОР СКОРОСТИ
СОГРЕВАНИЯ ОРГАНИЗМА
ПОСЛЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
ГЛУБОКОЙ ГИПОТЕРМИИ
[Выбор скорости согревания организма после
экспериментальной глубокой гипотермии /
Щербаков П.В., Тельпухов В.И., Хохлов А.В. //
Экспериментальное и клиническое обоснование
методов криомедицины: Сб. науч. тр. / Редкол.:
Сандомирский Б.П. (отв. ред.) и др. / – Харьков;
Институт проблем криобиологии и криомедицины
АН УССР, 1988. – С. 160-164.]
95. Так продукт
замораживания может
быть значительно более
легко заморожен в
присутствии некоего
инициатора
образования центров
кристаллизации льда
(«зародышевых
кристалликов»).
То есть, даже при более
высокой температуре,
чем при спонтанном
замораживании
97. Микроструктуры
газогидратов — это и
есть зародышевые
кристаллики,
инициирующие
масштабную
кристаллизацию
свободной воды,
причём сразу по
всему объёму клетки
98. А известно, как только во
внутриклеточной
жидкости образуются
многочисленные центры
кристаллизации, она
мгновенно переходит
в твердое состояние
99. Для получения при 0оС
зародышевых
кристалликов в виде
гидрата ксенона
достаточно приложить
1,5 атм, гидрата
криптона — 14,5 атм,
гидрата аргона — 105
атм. Но для
кристаллогидратов
ксенона при -3,4оС,
криптона при -27,8оС,
аргона при -42,8оС
давление диссоциации
соответствует
нормальному
атмосферному давлению
101. Всё «искусственно-задействованное», что по шкале
линейных размеров ниже величины 100 нм —
относится к нанотехнологиям.
Понятно, что и в нашем случае, синтетические
процессы, развивающиеся в клетке, не просто
напрямую зависят от воздействия внешних
физических факторов (от температуры и давления),
а ими можно ещё и манипулировать со стороны,
варьируя этими двумя параметрами (управлять).
При этом непосредственные объекты управления
своими ничтожными размерами вполне
вписываются в приведённое строгое ограничение.
То есть — самые настоящие нанотехнологии !
102.
103. Например, по клатратному принципу можно провести
полезную и перспективную трансформацию, старой
КРИОНИКИ — уже в НАНОКРИОНИКУ
105. Барокамера БКИ-192 — вполне готовый узел для изготовления уже большой
клатратной установки: аналог будущей лабораторной крио-барокамеры для
крупных млекопитающих.
