Când o mostră biologică este crioprezervată, mișcarea moleculară și procesele celulare încetinesc până la punctul de tranziție vitroasă, unde orice activitate se oprește, păstrând celule, țesuturi și chiar organisme întregi timp de ani de zile. În consecință, nu este surprinzător faptul că crioconservarea se află în centrul majorității operațiunilor moderne de biobancare.
Dar chiar dacă conceptul de congelare este simplu, procesul fizic este destul de complex. Modul în care are loc înghețarea sau vitrificarea poate avea un impact dramatic asupra viabilității celulelor și a calității probelor atunci când acestea sunt readuse la temperaturi mai ridicate.
Vom explora proprietățile fizice ale gheții și evenimentele majore din timpul înghețării și dezghețării probelor (care este la fel de importantă ca și răcirea) într-o serie de articole de blog care vor aprofunda procesul de înghețare. În această primă postare, să începem cu începutul și să aruncăm o privire la primul pas al înghețării, nuclearea.
Apa pură răcită sub punctul de îngheț poate rămâne un lichid supraînghețat până când este perturbată. (Acest videoclip de mai jos oferă o ilustrare excelentă a acestui punct și este un experiment științific grozav de încercat acasă cu copiii!)
În videoclip, lovirea unei sticle de apă oferă un loc pentru formarea cristalelor de gheață sau, cu alte cuvinte, un loc pentru nucleare. Nuclearea este un proces în care moleculele dintr-un lichid încep să se adune în grupuri mici, aranjându-se într-un mod care va defini structura cristalină a solidului. Există două tipuri de nucleație:
- Nucleația eterogenă, care apare atunci când gheața începe să se formeze în jurul unui loc de nucleație, cum ar fi o perturbare fizică, o impuritate (cum ar fi sarea) în lichid sau o neregularitate într-un recipient. Deoarece probele biologice nu sunt niciodată apă pură, acestea se confruntă întotdeauna cu o nucleație eterogenă.
- Nucleație omogenă, care apare atunci când gheața se formează fără un situs de nucleație predefinit. Apa pură va îngheța la aproximativ -39°C în absența unor situsuri de nucleație. În practică, însă, nucleația omogenă nu este des întâlnită din cauza rarității apei complet pure.
Potrivit unei recenzii din revista Cryobiology, „Nuclearea gheții este cea mai semnificativă variabilă necontrolată în crioconservarea convențională, ceea ce duce la variații de la o probă la alta în ceea ce privește recuperarea, viabilitatea și funcția celulelor.” Autorii recomandă controlul procesului de nucleare și enumeră mai multe metode de congelare, dintre care multe sunt utilizate în mod obișnuit pentru aplicațiile FIV:
- Însămânțare: Introducerea unui cristal de gheață extern pentru a promova nuclearea la o temperatură specificată. Pentru a minimiza riscurile de contaminare, însămânțarea se face acum prin generarea unui punct rece în exteriorul recipientului, cum ar fi forcepsul rece pe partea laterală a unui pai.
- Nucleanți chimici: Cristalele nucleatoare de gheață sunt incluse în mediul de probă. Nucleanții chimici permit o standardizare largă între tipurile de probe și reprezintă un domeniu activ de cercetare.
- Electrocongelare: Se utilizează electricitate de înaltă tensiune pentru a induce formarea gheții.
- Metode mecanice: Agitarea, lovirea sau aplicarea de ultrasunete pot fi eficiente pentru nucleație, dar dificil de standardizat.
- Răcire prin șocuri/înghețare cu viteză controlată: Expunerea probei la un set rapid de rampe de temperatură poate favoriza nuclearea. Aceasta este ceea ce face un congelator cu viteză controlată, conducând probele prin procesul de nucleație.
- Schimbarea presiunii: Nuclearea poate fi indusă prin presurizarea probei, reducerea temperaturii, apoi eliberarea presiunii.
Pentru o introducere excelentă în proprietățile formării gheții în sistemele biologice și mai multe despre procesul de nucleare, consultați capitolul 1 al textului fundamental din 2004 „Life in the Frozen State”, o lectură foarte recomandată pentru oricine este interesat să cunoască mai multe despre aceste procese în detaliu.
.