Lorsqu’un bios échantillon est cryoconservé, le mouvement moléculaire et les processus cellulaires ralentissent jusqu’au point de transition vitreuse où toute activité s’arrête, préservant les cellules, les tissus et même les organismes entiers pendant des années. Par conséquent, il n’est pas surprenant que la cryoconservation soit au cœur de la plupart des opérations modernes de biobanques.
Mais même si le concept de congélation est simple, le processus physique est assez complexe. La façon dont la congélation ou la vitrification se produit peut avoir un impact considérable sur la viabilité des cellules et la qualité des échantillons lorsqu’ils sont ramenés à des températures plus chaudes.
Nous allons explorer les propriétés physiques de la glace et les principaux événements de la congélation et de la décongélation des échantillons (qui est tout aussi importante que le refroidissement) dans une série de billets de blog qui approfondissent le processus de congélation. Dans ce premier billet, commençons par le début et examinons la première étape de la congélation, la nucléation.
L’eau pure refroidie en dessous du point de congélation peut rester un liquide surfondu jusqu’à ce qu’elle soit perturbée. (La vidéo ci-dessous offre une excellente illustration de ce point et constitue une expérience scientifique à domicile à essayer avec les enfants !)
Dans la vidéo, le fait de frapper une bouteille d’eau fournit un site pour la formation de cristaux de glace, ou en d’autres termes, un site de nucléation. La nucléation est un processus au cours duquel les molécules d’un liquide commencent à se rassembler en minuscules amas, s’agençant d’une manière qui définira la structure cristalline du solide. Il existe deux types de nucléation :
- La nucléation hétérogène, qui se produit lorsque la glace commence à se former autour d’un site de nucléation, tel qu’une perturbation physique, une impureté (comme le sel) dans le liquide ou une irrégularité dans un récipient. Les échantillons biologiques n’étant jamais de l’eau pure, ils connaissent toujours une nucléation hétérogène.
- Nucléation homogène, qui se produit lorsque la glace se forme sans site de nucléation prédéfini. L’eau pure gèle à environ -39°C en l’absence de sites de nucléation. Dans la pratique, cependant, la nucléation homogène n’est pas souvent observée en raison de la rareté de l’eau complètement pure.
Selon une revue de la revue Cryobiology, « la nucléation de la glace est la variable non contrôlée la plus significante dans la cryoconservation conventionnelle, entraînant une variation d’un échantillon à l’autre dans la récupération, la viabilité et la fonction des cellules. » Les auteurs recommandent de contrôler le processus de nucléation et énumèrent plusieurs méthodes de congélation, dont beaucoup sont couramment utilisées pour les applications de FIV :
- Ensemencement : L’introduction d’un cristal de glace externe pour favoriser la nucléation à une température spécifiée. Pour minimiser les risques de contamination, l’ensemencement se fait maintenant en générant un point froid à l’extérieur du récipient, comme une pince froide sur le côté d’une paille.
- Nucléants chimiques : Des cristaux nucléants de glace sont inclus dans le milieu d’échantillonnage. Les nucléants chimiques permettent une large standardisation entre les types d’échantillons et constituent un domaine de recherche actif.
- Électrocongélation : L’électricité à haute tension est utilisée pour induire la formation de glace.
- Méthodes mécaniques : Secouer, taper ou appliquer des ultrasons peut être efficace pour la nucléation, mais difficile à standardiser.
- Froid de choc/congélation à vitesse contrôlée : L’exposition de l’échantillon à un ensemble rapide de rampes de température peut favoriser la nucléation. C’est ce que fait un congélateur à taux contrôlé en conduisant les échantillons à travers le processus de nucléation.
- Changement de pression : La nucléation peut être induite en pressurisant l’échantillon, en réduisant la température, puis en relâchant la pression.
Pour une excellente introduction aux propriétés de la formation de la glace dans les systèmes biologiques et plus sur le processus de nucléation, consultez le chapitre un du texte séminal de 2004 « Life in the Frozen State », une lecture hautement recommandée pour toute personne intéressée à connaître ces processus plus en détail.