Criobiología

Se ha informado que tres especies de bacterias, Carnobacterium pleistocenium , Chryseobacterium greenlandensis y Herminiimonas glaciei , han revivido tras sobrevivir durante miles de años congeladas en hielo. Ciertas bacterias, en particular Pseudomonas syringae , producen proteínas especializadas que actúan como potentes nucleadores de hielo, los cuales utilizan para forzar la formación de hielo en la superficie de diversas frutas y plantas a aproximadamente −2 °  C. ^{[ 1 ]} La congelación causa lesiones en los epitelios y hace que los nutrientes de los tejidos vegetales subyacentes estén disponibles para las bacterias. ^{[ 2 ]} Listeria crece lentamente a temperaturas tan bajas como -1,5  °C y persiste durante algún tiempo en alimentos congelados. ^{[ 3 ]}

Muchas plantas experimentan un proceso llamado endurecimiento que les permite sobrevivir a temperaturas inferiores a 0  °C durante semanas o meses. La criobiología vegetal explora las adaptaciones celulares y moleculares que desarrollan las plantas para sobrevivir a temperaturas bajo cero, como las proteínas anticongelantes (AFP) y los cambios en la composición de la membrana. La criopreservación es una técnica fundamental en la criobiología vegetal, utilizada para el almacenamiento a largo plazo de material genético y la preservación de especies en peligro de extinción mediante el mantenimiento de tejidos vegetales o semillas en nitrógeno líquido. La investigación en esta área tiene como objetivo mejorar la productividad agrícola en climas fríos, optimizar el almacenamiento de recursos fitogenéticos y comprender los impactos del cambio climático en la biodiversidad vegetal. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

La historia de la criobiología se remonta a la antigüedad. Ya en el año 2500 a. C., se utilizaban bajas temperaturas en la medicina egipcia. Hipócrates recomendaba el uso del frío para detener hemorragias e inflamaciones. Con el surgimiento de la ciencia moderna, Robert Boyle estudió los efectos de las bajas temperaturas en los animales.

En 1949, el semen de toro fue criopreservado por primera vez por un equipo de científicos liderado por Christopher Polge . ^{[ 14 ]} Esto condujo a un uso mucho más amplio de la criopreservación en la actualidad, con muchos órganos , tejidos y células almacenados rutinariamente a bajas temperaturas . Los órganos grandes, como los corazones, generalmente se almacenan y transportan, solo por períodos cortos, a temperaturas frías pero no de congelación para trasplantes . Las suspensiones celulares (como sangre y semen) y las secciones delgadas de tejido a veces pueden almacenarse casi indefinidamente a la temperatura del nitrógeno líquido ( criopreservación ). Los espermatozoides, óvulos y embriones humanos se almacenan rutinariamente en la investigación y los tratamientos de fertilidad . La congelación lenta y a velocidad controlada son técnicas bien establecidas, desarrolladas a principios de la década de 1970, que permitieron el primer nacimiento de un embrión humano congelado (Zoe Leyland) en 1984. Desde entonces, las máquinas que congelan muestras biológicas mediante pasos programables o velocidades controladas se han utilizado en todo el mundo para la biología humana, animal y celular, congelando una muestra para preservarla mejor para su posterior descongelación, antes de congelarla a alta temperatura o criopreservarla en nitrógeno líquido. Estas máquinas se utilizan para congelar ovocitos, piel, productos sanguíneos, embriones, espermatozoides, células madre y para la preservación general de tejidos en hospitales, clínicas veterinarias y laboratorios de investigación. El número de nacimientos vivos a partir de embriones congelados lentamente oscila entre 300.000 y 400.000, lo que representa el 20% de los aproximadamente 3 millones de nacimientos por fertilización in vitro . El Dr. Christopher Chen, de Australia, informó del primer embarazo mundial utilizando ovocitos congelados lentamente procedentes de un congelador británico de velocidad controlada en 1986.

La criocirugía (destrucción intencionada y controlada de tejidos mediante la formación de hielo) fue realizada por James Arnott en 1845 en una operación a un paciente con cáncer.

La criobiología, como ciencia aplicada, se centra principalmente en la preservación a bajas temperaturas. El almacenamiento hipotérmico se realiza generalmente a temperaturas superiores a 0  °C pero inferiores a la normotérmica (de 32  °C a 37  °C) para los mamíferos. Por otro lado, la criopreservación se lleva a cabo en el rango de temperatura de -80 °C a -196 °  C. Los órganos y tejidos son los objetos más frecuentemente utilizados en el almacenamiento hipotérmico, mientras que las células individuales han sido los objetos más comunes de criopreservación.

Una regla general en el almacenamiento hipotérmico es que cada  reducción de 10 °C en la temperatura se acompaña de una disminución del 50 % en el consumo de oxígeno . ^{[ 15 ]} Aunque los animales hibernantes han adaptado mecanismos para evitar desequilibrios metabólicos asociados con la hipotermia, los órganos y tejidos hipotérmicos que se mantienen para trasplante requieren soluciones de preservación especiales para contrarrestar la acidosis , la disminución de la actividad de la bomba de sodio y el aumento del calcio intracelular . Se han diseñado soluciones especiales de preservación de órganos como Viaspan (solución de la Universidad de Wisconsin), HTK y Celsior para este propósito. ^{[ 16 ]} Estas soluciones también contienen ingredientes para minimizar el daño por radicales libres , prevenir el edema , compensar la pérdida de ATP , etc.

La criopreservación de células se rige por la "hipótesis de dos factores" del criobiólogo estadounidense Peter Mazur , que establece que el enfriamiento excesivamente rápido mata las células por la formación de hielo intracelular y el enfriamiento excesivamente lento las mata por toxicidad electrolítica o aplastamiento mecánico. ^{[ 17 ]} Durante el enfriamiento lento, se forma hielo extracelularmente, lo que provoca que el agua salga osmóticamente de las células, deshidratándolas . El hielo intracelular puede ser mucho más dañino que el hielo extracelular.

Para los glóbulos rojos , la velocidad de enfriamiento óptima es muy rápida (casi 100  °C por segundo), mientras que para las células madre es muy lenta (1  °C por minuto). Se utilizan crioprotectores, como el dimetilsulfóxido y el glicerol , para proteger las células de la congelación. Una variedad de tipos de células se protegen con un 10 % de dimetilsulfóxido. ^{[ 18 ]} Los criobiólogos intentan optimizar la concentración del crioprotector (minimizando tanto la formación de hielo como la toxicidad) y la velocidad de enfriamiento. Las células pueden enfriarse a una velocidad óptima hasta una temperatura entre -30 y -40 °  C antes de sumergirlas en nitrógeno líquido.

Los métodos de enfriamiento lento se basan en el hecho de que las células contienen pocos agentes nucleantes , pero sí sustancias vitrificantes naturales que pueden prevenir la formación de hielo en células moderadamente deshidratadas. Algunos criobiólogos buscan mezclas de crioprotectores para lograr una vitrificación completa (sin formación de hielo) en la conservación de células, tejidos y órganos. Los métodos de vitrificación plantean el reto de encontrar mezclas de crioprotectores que minimicen la toxicidad.

Los gametos humanos y los embriones de dos, cuatro y ocho células pueden sobrevivir a la criopreservación a -196  °C durante 10 años en condiciones de laboratorio bien controladas. ^{[ 19 ]}

La criopreservación en humanos para el tratamiento de la infertilidad implica la conservación de embriones, espermatozoides u ovocitos mediante congelación. La concepción in vitro se intenta descongelando los espermatozoides e introduciéndolos en óvulos frescos, descongelando los óvulos y colocando los espermatozoides junto con ellos para luego reintroducirlos en el útero, o introduciendo un embrión congelado en el útero. La vitrificación presenta limitaciones y no es tan fiable ni está tan probada como la congelación de espermatozoides, óvulos o embriones fecundados mediante métodos tradicionales de congelación lenta, ya que los óvulos son extremadamente sensibles a la temperatura. Muchos investigadores también congelan tejido ovárico junto con los óvulos con la esperanza de que este tejido pueda trasplantarse al útero, estimulando así los ciclos de ovulación normales. En 2004, Donnez de Lovaina, Bélgica, informó del primer nacimiento exitoso de un ovario a partir de tejido ovárico congelado. En 1997, se tomaron muestras de corteza ovárica de una mujer con linfoma de Hodgkin y se crioconservaron en un congelador de velocidad controlada (Planer, Reino Unido) y posteriormente se almacenaron en nitrógeno líquido. Se inició quimioterapia tras la insuficiencia ovárica prematura de la paciente. En 2003, tras la congelación y descongelación, se realizó un autotrasplante ortotópico de tejido cortical ovárico por laparoscopia y, cinco meses después, los signos de reimplantación indicaron la recuperación de ciclos ovulatorios regulares. Once meses después de la reimplantación, se confirmó un embarazo intrauterino viable, que dio lugar al primer nacimiento de una niña viva: Tamara. ^{[ 20 ]}

La hipotermia terapéutica , por ejemplo, durante una cirugía cardíaca en un corazón "frío" (generado por perfusión fría sin formación de hielo), permite operaciones mucho más largas y mejora las tasas de recuperación de los pacientes.