Amikor egy biológiai mintát kriokonzerválnak, a molekuláris mozgás és a sejtfolyamatok lelassulnak az üvegesedési pontig, ahol minden tevékenység leáll, így a sejtek, szövetek, sőt egész organizmusok évekig megmaradnak. Következésképpen nem meglepő, hogy a kriokonzerválás a legtöbb modern biobankművelet középpontjában áll.
De bár a fagyasztás koncepciója egyszerű, a fizikai folyamat meglehetősen összetett. Az, ahogyan a fagyasztás vagy üvegesítés történik, drámai hatással lehet a sejtek életképességére és a minta minőségére, amikor melegebb hőmérsékletre kerülnek vissza.
A jég fizikai tulajdonságait és a minták fagyasztásának és kiolvasztásának (ami ugyanolyan fontos, mint a hűtés) főbb eseményeit egy sor blogbejegyzésben fogjuk megvizsgálni, amelyek mélyebben belemerülnek a fagyasztási folyamatba. Ebben az első bejegyzésben kezdjük az elején, és nézzük meg a fagyasztás első lépését, a magképződést.
A fagyáspont alá hűtött tiszta víz mindaddig szuperhűtött folyadék maradhat, amíg meg nem zavarják. (Az alábbi videó remekül szemlélteti ezt a pontot, és remek otthoni tudományos kísérletet kínál a gyerekekkel!)
A videóban egy vizes palack megütése biztosít helyet a jégkristályok kialakulásának, más szóval a magképződésnek. A nukleáció egy olyan folyamat, amikor a folyadékban lévő molekulák apró klaszterekbe kezdenek gyűlni, és úgy rendeződnek el, hogy meghatározzák a szilárd anyag kristályszerkezetét. A nukleációnak két típusa van:
- Heterogén nukleáció, amely akkor következik be, amikor a jég egy nukleációs hely körül kezd kialakulni, például egy fizikai zavar, egy szennyeződés (például só) a folyadékban vagy egy szabálytalanság a tartályban. Mivel a biológiai minták soha nem tiszta vízből állnak, mindig heterogén nukleáció lép fel.
- Homogén nukleáció, amely akkor következik be, amikor a jég előre meghatározott nukleációs hely nélkül képződik. A tiszta víz nukleációs helyek hiányában körülbelül -39°C-on fagy meg. A gyakorlatban azonban a homogén nukleáció a teljesen tiszta víz ritkasága miatt nem gyakran fordul elő.
A Cryobiology című folyóiratban megjelent áttekintés szerint “A jég nukleációja a legjelentősebb ellenőrizetlen változó a hagyományos kriokonzerválásban, ami a sejtek visszanyerésének, életképességének és működésének mintánkénti eltéréséhez vezet”. A szerzők a nukleáció folyamatának szabályozását javasolják, és számos fagyasztási módszert sorolnak fel, amelyek közül többet az IVF alkalmazásokban is gyakran alkalmaznak:
- Magvetés: Külső jégkristály bevezetése a nukleáció elősegítése érdekében egy meghatározott hőmérsékleten. A kontaminációs kockázatok minimalizálása érdekében a magvetést ma már úgy végzik, hogy a tartály külső oldalán hideg pontot hoznak létre, például hideg csipesszel egy szívószál oldalán.
- Kémiai nukleátorok: Jégmagképző kristályokat tartalmaz a mintaközeg. A kémiai nukleánsok lehetővé teszik a mintatípusok széles körű szabványosítását, és aktív kutatási területet jelentenek.
- Elektrofagyasztás: Nagyfeszültségű elektromosságot használnak a jégképződés előidézésére.
- Mechanikai módszerek: A rázás, kopogtatás vagy ultrahang alkalmazása hatékony lehet a nukleációhoz, de nehezen szabványosítható.
- Sokkhűtés/szabályozott sebességű fagyasztás: A minta gyors hőmérséklet-emelkedésnek való kitétele elősegítheti a nukleációt. Ezt teszi a szabályozott sebességű fagyasztó, amely a mintákat végigvezeti a nukleációs folyamaton.
- Nyomáseltolódás: A nukleáció előidézhető a minta nyomás alá helyezésével, a hőmérséklet csökkentésével, majd a nyomás felengedésével.
A biológiai rendszerekben történő jégképződés tulajdonságainak kiváló bemutatásához és a nukleáció folyamatáról bővebben a 2004-es “Life in the Frozen State” című alapvető jelentőségű szöveg első fejezetét ajánljuk mindazoknak, akik részletesebben szeretnének megismerkedni ezekkel a folyamatokkal.