När ett biologiskt prov kryokonserveras saktar den molekylära rörelsen och de cellulära processerna ner till glasövergångspunkten där all aktivitet stannar upp, vilket gör att celler, vävnader och till och med hela organismer kan bevaras i åratal. Följaktligen är det ingen överraskning att kryokonservering är kärnan i de flesta moderna biobanksverksamheter.
Men även om begreppet frysning är okomplicerat är den fysiska processen ganska komplex. Det sätt på vilket frysning eller vitrifiering sker kan ha en dramatisk inverkan på cellernas livskraft och provkvaliteten när de återförs till varmare temperaturer.
Vi kommer att utforska isens fysikaliska egenskaper och de viktigaste händelserna vid frysning och upptining av prover (vilket är lika viktigt som nedkylning) i en serie blogginlägg som gräver djupare i frysningsprocessen. I det här första inlägget börjar vi från början och tittar på frysningens första steg, kärnbildning.
Rent vatten som kyls under fryspunkten kan förbli en superkyld vätska tills det störs. (Videon nedan illustrerar detta på ett bra sätt och är ett utmärkt vetenskapligt experiment för hemmet att prova med barn!)
I videon slår man på en vattenflaska och skapar en plats där iskristaller kan bildas, eller med andra ord, en plats för kärnbildning. Kärnbildning är en process där molekylerna i en vätska börjar samlas till små kluster och ordnar sig på ett sätt som kommer att definiera kristallstrukturen i det fasta ämnet. Det finns två typer av kärnbildning:
- Heterogen kärnbildning, som inträffar när is börjar bildas runt en kärnbildningsplats, t.ex. en fysisk störning, en förorening (t.ex. salt) i vätskan eller en ojämnhet i en behållare. Eftersom biologiska prover aldrig är rent vatten upplever de alltid heterogen kärnbildning.
- Homogen kärnbildning, som inträffar när is bildas utan någon fördefinierad kärnbildningsplats. Rent vatten fryser vid ungefär -39 °C i avsaknad av kärnbildningsplatser. I praktiken ses dock homogen kärnbildning inte ofta på grund av att helt rent vatten är sällsynt.
Enligt en genomgång i tidskriften Cryobiology är ”kärnbildning av is den mest signifikativa okontrollerade variabeln i konventionell kryokonservering som leder till variation från prov till prov när det gäller cellåtervinning, livsduglighet och funktion”. Författarna rekommenderar att man kontrollerar kärnbildningsprocessen och listar flera frysningsmetoder, varav många är vanligt förekommande vid IVF-tillämpningar:
- Sådd: Införandet av en extern iskristall för att främja kärnbildning vid en viss temperatur. För att minimera kontaminationsriskerna sker sådd numera genom att generera en kall punkt på behållarens utsida, t.ex. en kall pincett på sidan av ett sugrör.
- Kemiska nukleanter: Iskärnande kristaller ingår i provmediet. Kemiska nukleanter möjliggör en bred standardisering mellan olika provtyper och är ett aktivt forskningsområde.
- Elektrifrostning: Högspänningselektricitet används för att framkalla isbildning.
- Mekaniska metoder: Skaka, knacka eller applicera ultraljud kan vara effektivt för kärnbildning, men är svårt att standardisera.
- Chockkylning/kontrollerad frysning: Att utsätta provet för en snabb uppsättning temperaturramper kan främja kärnbildning. Detta är vad en frys med kontrollerad hastighet gör genom att föra proverna genom kärnbildningsprocessen.
- Tryckförskjutning: För en utmärkt introduktion till egenskaperna hos isbildning i biologiska system och mer om kärnbildningsprocessen, se kapitel ett i den banbrytande texten ”Life in the Frozen State” från 2004, en mycket rekommenderad läsning för alla som är intresserade av att veta mer om dessa processer i mer detalj.