Kun biologinen näyte kryosäilytetään, molekyylien liike ja soluprosessit hidastuvat lasimuutospisteeseen, jossa kaikki toiminta pysähtyy, jolloin solut, kudokset ja jopa kokonaiset organismit säilyvät vuosia. Näin ollen ei ole mikään yllätys, että kryosäilytys on useimpien nykyaikaisten biopankkitoimintojen ytimessä.
Mutta vaikka pakastamisen käsite on suoraviivainen, fyysinen prosessi on varsin monimutkainen. Tapa, jolla pakastaminen tai vitrifikaatio tapahtuu, voi vaikuttaa dramaattisesti solujen elinkelpoisuuteen ja näytteen laatuun, kun ne palautetaan lämpimämpiin lämpötiloihin.
Tutustumme jään fysikaalisiin ominaisuuksiin ja näytteiden pakastuksen ja sulatuksen (joka on yhtä tärkeää kuin jäähdytys) tärkeimpiin tapahtumiin blogikirjoitussarjassa, jossa syvennytään pakastusprosessiin. Tässä ensimmäisessä postauksessa aloitetaan alusta ja tarkastellaan jäätymisen ensimmäistä vaihetta, ydintymistä.
Puhdas vesi, joka on jäähdytetty jäätymispisteen alapuolelle, voi pysyä alijäähtyneenä nesteenä, kunnes se häiriintyy. (Tämä alla oleva video havainnollistaa hyvin tätä seikkaa, ja se on loistava kotona tehtävä tiedekoe, jota voi kokeilla lasten kanssa!)
Videolla vesipullon lyöminen tarjoaa paikan jääkiteiden muodostumiselle eli toisin sanoen paikan ydintymiselle. Nukleaatio on prosessi, jossa nesteen molekyylit alkavat kerääntyä pieniksi klustereiksi ja järjestäytyä tavalla, joka määrittää kiinteän aineen kiderakenteen. Nukleaatiota on kahdenlaista:
- Heterogeeninen nukleaatio, joka tapahtuu, kun jäätä alkaa muodostua jonkin nukleaatiokohdan ympärille, kuten fysikaalisen häiriön, nesteessä olevan epäpuhtauden (kuten suolan) tai säiliön epäsäännöllisyyden ympärille. Koska biologiset näytteet eivät koskaan ole puhdasta vettä, niissä esiintyy aina heterogeenista nukleaatiota.
- Homogeeninen nukleaatio, joka tapahtuu, kun jäätä muodostuu ilman ennalta määriteltyä nukleaatiokohtaa. Puhdas vesi jäätyy noin -39 °C:ssa ilman nukleaatiokohtia. Käytännössä homogeenista nukleaatiota ei kuitenkaan usein nähdä, koska täysin puhdas vesi on harvinaista.
Cryobiology-lehdessä julkaistun katsauksen mukaan ”jään nukleaatio on merkittävin kontrolloimaton muuttuja tavanomaisessa kryosäilytyksessä, joka johtaa näytteestä toiseen tapahtuvaan vaihteluun solujen palautumisessa, elinkelpoisuudessa ja toiminnassa.” Kirjoittajat suosittelevat nukleaatioprosessin hallintaa ja luettelevat useita pakastusmenetelmiä, joista monia käytetään yleisesti IVF-sovelluksissa:
- Kylvö: Ulkoisen jääkiteen tuominen edistämään nukleaatiota tietyssä lämpötilassa. Kontaminaatioriskien minimoimiseksi kylvö tehdään nykyään tuottamalla kylmä kohta säiliön ulkopuolelle, kuten kylmät pihdit oljen kylkeen.
- Kemialliset nukleantit: Jäätä nukleoivia kiteitä sisällytetään näyteaineeseen. Kemialliset nukleantit mahdollistavat laajan standardoinnin eri näytetyyppien välillä, ja ne ovat aktiivinen tutkimusalue.
- Sähköjäädytys: Korkeajännitesähköä käytetään jäänmuodostuksen aikaansaamiseksi.
- Mekaaniset menetelmät: Ravistelu, koputtelu tai ultraäänen käyttö voivat olla tehokkaita nukleaation aikaansaamiseksi, mutta niitä on vaikea standardoida.
- Shock cooling/controlled rate freezing: Näytteen altistaminen nopeille lämpötilarampeille voi edistää nukleaatiota. Tämä tapahtuu kontrolloidun nopeuden pakastimella, joka johdattaa näytteet nukleaatioprosessin läpi.
- Paineensiirto: Nukleaatio voidaan käynnistää paineistamalla näyte, alentamalla lämpötilaa ja vapauttamalla sitten paine.
Erinomaisen johdannon jäänmuodostuksen ominaisuuksiin biologisissa systeemeissä ja lisätietoa nukleaatioprosessista saat lukemalla ensimmäisen luvun vuonna 2004 ilmestyneestä uraauurtavasta tekstistä ”Life in the Frozen State” (Elämä jäätyneessä tilassa), jota suositellaan luettavaksi jokaiselle, joka on kiinnostunut tietämään näistä prosesseista enemmän ja yksityiskohtaisemmin.