Un crioprotector es una sustancia que se utiliza para proteger el tejido biológico del daño por congelación (es decir, debido a la formación de hielo ). Los insectos , peces y anfibios árticos y antárticos crean crioprotectores ( compuestos anticongelantes y proteínas anticongelantes ) en sus cuerpos para minimizar el daño por congelación durante los períodos fríos del invierno. Los crioprotectores también se utilizan para conservar materiales vivos en el estudio de la biología y para conservar productos alimenticios.
Durante años, el glicerol se ha utilizado en criobiología como crioprotector para las células sanguíneas y el esperma de toro, lo que permite su almacenamiento a temperaturas de nitrógeno líquido . Sin embargo, el glicerol no se puede utilizar para proteger órganos enteros del daño. En cambio, muchas empresas de biotecnología están investigando el desarrollo de otros crioprotectores más adecuados para tales usos. Un descubrimiento exitoso puede eventualmente hacer posible el almacenamiento (o "banco") criogénico a granel de órganos humanos y xenobióticos trasplantables . Ya se ha dado un paso sustancial en esa dirección. La medicina del siglo XXI ha vitrificado un riñón de conejo a -135 ° C con su cóctel de vitrificación patentado. Tras el recalentamiento, el riñón se trasplantó con éxito a un conejo, con completa funcionalidad y viabilidad, capaz de sostener al conejo indefinidamente como único riñón en funcionamiento. [1]
Mecanismo
Los crioprotectores operan aumentando la concentración de soluto en las células. Sin embargo, para que sean biológicamente viables, deben penetrar fácilmente y no deben ser tóxicos para las células.
Temperatura de transición del vidrio
Algunos crioprotectores funcionan reduciendo la temperatura de transición vítrea de una solución o de un material. De esta forma, el crioprotector evita la congelación real y la solución mantiene cierta flexibilidad en una fase vítrea. Muchos crioprotectores también funcionan formando enlaces de hidrógeno con moléculas biológicas a medida que se desplazan las moléculas de agua. Los enlaces de hidrógeno en soluciones acuosas son importantes para el correcto funcionamiento de las proteínas y el ADN. Por tanto, a medida que el crioprotector sustituye a las moléculas de agua, el material biológico conserva su estructura y función fisiológicas nativas, aunque ya no se sumergen en un entorno acuoso. Esta estrategia de conservación se utiliza con mayor frecuencia en la anhidrobiosis .
Toxicidad
Las mezclas de crioprotectores tienen menos toxicidad y son más eficaces que los crioprotectores de agente único. [2] Una mezcla de formamida con DMSO ( dimetilsulfóxido ), propilenglicol y un coloide fue durante muchos años el más eficaz de todos los crioprotectores creados artificialmente. Se han utilizado mezclas de crioprotectores para la vitrificación (es decir, solidificación sin formación de hielo cristalino). La vitrificación tiene aplicaciones importantes en la conservación de embriones, tejidos biológicos y órganos para trasplantes . La vitrificación también se usa en criónica , en un esfuerzo por eliminar el daño por congelación.
Convencional
Los crioprotectores convencionales son glicoles ( alcoholes que contienen al menos dos grupos hidroxilo ), tales como etilenglicol [ cita requerida ] , propilenglicol y glicerol . El etilenglicol se usa comúnmente como anticongelante para automóviles ; mientras que el propilenglicol se ha utilizado para reducir la formación de hielo en los helados . El dimetilsulfóxido (DMSO) también se considera un crioprotector convencional. El glicerol y DMSO se han utilizado durante décadas por cryobiologists para reducir la formación de hielo en el esperma , [3] ovocitos , [4] y embriones que se encuentran en-conservado fría de nitrógeno líquido . La crioconservación de los recursos zoogenéticos es una práctica que involucra crioprotectores convencionales para almacenar material genético con la intención de resucitarlo en el futuro. La trehalosa es un azúcar no reductor producido por levaduras e insectos en grandes cantidades. Su uso como crioprotector en sistemas comerciales ha sido patentado ampliamente.
Ejemplos en la naturaleza
Los peces árticos usan proteínas anticongelantes , a veces agregadas con azúcares, como crioprotectores.
Insectos
Los insectos suelen utilizar azúcares o polioles como crioprotectores. Una especie que usa crioprotectores es Polistes exclamans (una avispa). En esta especie, los diferentes niveles de crioprotector se pueden utilizar para distinguir entre morfologías. [5]
Anfibios
Las ranas árticas adaptadas al frío (por ejemplo, la rana de madera ) y algunos otros ectotermos en las regiones polares y subpolares producen glucosa de forma natural , [6] pero las ranas arborícolas marrones del sur y las salamandras árticas crean glicerol en el hígado para reducir la formación de hielo.
Cuando la glucosa es utilizada como crioprotector por las ranas árticas, se liberan cantidades masivas de glucosa a baja temperatura y una forma especial de insulina permite que esta glucosa extra ingrese a las células. Cuando la rana se recalienta durante la primavera , la glucosa extra debe eliminarse rápidamente, pero debe almacenarse.
Conservación de los alimentos
Los crioprotectores también se utilizan para conservar alimentos. Estos compuestos son típicamente azúcares que son económicos y no plantean ningún problema de toxicidad. Por ejemplo, muchos productos de pollo congelados (crudos) contienen una solución de sacarosa y fosfatos de sodio en agua.
Común
|
|
Ver también
- Proteína anticongelante
- Crioconservación de recursos zoogenéticos
- Crioconservación de recursos fitogenéticos
- Criopreservación
- Criostasis (hidratos de clatrato)
- Lista de tecnologías emergentes
- Liofilización
Referencias
- ^ Fahy GM; Wowk B; Pagotan R; Chang A; et al. (2009). "Aspectos físicos y biológicos de la vitrificación renal" . Organogénesis . 5 (3): 167-175. doi : 10.4161 / org.5.3.9974 . PMC 2781097 . PMID 20046680 .
- ^ Mejor, BP (2015). "Toxicidad de crioprotectores: hechos, problemas y preguntas" . Investigación de rejuvenecimiento . 18 (5): 422–436. doi : 10.1089 / rej.2014.1656 . PMC 4620521 . PMID 25826677 .
- ^ Imrat, P .; Suthanmapinanth, P .; Saikhun, K .; Mahasawangkul, S .; Sostaric, E .; Sombutputorn, P .; Jansittiwate, S .; Thongtip, N .; et al. (Febrero de 2013). "Efecto de la calidad del semen precongelado, diluyente y crioprotector sobre la calidad poscongelación del semen del elefante asiático (Elephas maximus indicus)" (PDF) . Criobiología . 66 (1): 52–59. doi : 10.1016 / j.cryobiol.2012.11.003 . hdl : 2263/42468 . PMID 23168056 .
- ^ Karlsson, Jens OM; Szurek, Edyta A .; Higgins, Adam Z .; Lee, Sang R .; Eroglu, Ali (febrero de 2014). "Optimización de la carga de crioprotectores en ovocitos murinos y humanos" . Criobiología . 68 (1): 18-28. doi : 10.1016 / j.cryobiol.2013.11.002 . PMC 4036103 . PMID 24246951 .
- ^ JE Strassmann; RE Lee Jr .; RR Rojas y JG Baust (1984). "Diferencias de casta y sexo en la resistencia al frío en las avispas sociales, Polistes annularis y P. exclamans". Insectes Sociaux . 31 (3): 291-301. doi : 10.1007 / BF02223613 .
- ^ Larson, DJ; Medio, L .; Vu, H .; Zhang, W .; Serianni, AS; Duman, J .; Barnes, BM (15 de abril de 2014). "Adaptaciones de la rana de madera para pasar el invierno en Alaska: nuevos límites a la tolerancia a la congelación" . Revista de Biología Experimental . 217 (12): 2193–2200. doi : 10.1242 / jeb.101931 . PMID 24737762 .