2022 m. balandį mokslininkas Zonghu Han su kolegomis vienai laboratorinei žiurkei sėkmingai persodino kitos žiurkės inkstus, kurie netgi 100 dienų buvo užšaldyti. Nors eksperimentas atliktas su gyvūnais, tai – svarbus transplantologijos srities pasiekimas. Kadangi žmonių organai šiandien dar nėra šaldomi, amerikiečių pasiūlyta technologija galėtų amžiams pakeisti organų transplantacijos procesą.
Nuo maisto produktų šaldymo Mesopotamijoje iki bandymų šalčiu „užkonservuoti“ gyvus organizmus 17 a.
Biologinės kilmės medžiagos išsaugojimas ją šaldant jau nebėra naujiena. Tačiau archeologiniai radiniai liudija, kad šis metodas taikytas jau 2000 m. pr. Kr. Mesopotamijoje. Tada specialiose ledu pripildytose duobėse arba kalvelėse saugoti maisto produktai.
Nors viskas prasidėjo nuo maisto šaldymo, ilgainiui pradėta galvoti, kad krioprezervacija – biologinės medžiagos laikymas žemoje temperatūroje – galėtų būti taikoma ir šaldant gyvus organizmus. Su tuo 17 a. eksperimentavo ne vienas mokslininkas. Štai Robertas Boyle`as ne vieną kartą bandė užšaldyti ir atgaivinti gyvus gyvūnus. Taip jis atrado žuvų ir varlių rūšis, galinčias išgyventi po ledu.
Kaip šaltis veikia iš tiesų, ankstyvuosius tyrimus atlikęs R. Boyle`as galėjo tik spėlioti. Vis dėlto tikroji „magija“ paaiškėjo kiek vėliau – nustatyta, kad jis šaldomąjį objektą „užkonservuoja“ atimdamas šiluminę jo energiją. Šis reiškinys lemia ląstelinių procesų, pavyzdžiui, medžiagų apykaitos, sulėtėjimą.
Didžiausias perversmas krioprezervacijos srityje įvyko 20 a. ketvirtajame dešimtmetyje, kai atrasti pirmieji veiksmingi krioprotektoriai (angl. cryoprotective agents) – medžiagos, per šaldymą turinčios apsaugoti ląsteles nuo ledo kristalų formavimosi.
Kai pradėtos taikyti naujos cheminės medžiagos, pastebėta, kad didesnėse sistemose pavojingos ledo struktūros vis tiek susidarydavo. Tad ilgainiui pradėta taikyti vitrifikacija – metodas, kai bandinys šaldomas kur kas greičiau ir naudojama didesnė krioprotektoriaus koncentracija. Tada audinys tampa panašus į stiklą.
Be ląstelių šaldymo mokslininkai šiandien neišsiverstų
Išmokus išvengti kristalizacijos, krioprezervacija pradėta plačiai taikyti moksliniais tikslais. Šiandien mokslininkai geba užšaldyti ir sėkmingai atšildyti embrionus, lytines, vėžines bei kamienines ląsteles (ląsteles, galinčias išsivystyti į daugybę skirtingų organizmo ląstelių tipų).
Šių dviejų ląstelių rūšių šaldymas šiandien jau tapo įprasta procedūra mokslininkių pasaulyje.
„Visos ląstelės, su kuriomis dirbama laboratorijoje, šaldomos. Su jomis dirbama, kai stabdai eksperimentą arba turi perteklių, tada šaldai. Tai gali būti ne tik kamieninės, bet ir vėžinės ląstelės“, – pasakoja Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro Ląstelės molekulinės biologijos skyriaus mokslininkė dr. Aistė Zentelytė.
Su kamieninėmis ląstelėmis dirbanti mokslo darbuotoja teigia, kad šiuo metu taikomi du šaldymo būdai: jau minėta vitrifikacija bei lėtas šaldymas.
„Vitrifikacija – labai greitas šaldymas, kai iš vandens nesusidaro ledo kristalai. Bet moksle ląstelės dažniausiai šaldomos taikant lėtąjį šaldymo metodą – tada viename mėginyje gali sušaldyti daugiau ląstelių“, – sako A. Zentelytė.
Mokslininkė pasakoja, kad lėtai šaldant ląsteles svarbu parinkti tinkamą krioprotektoriaus koncentraciją – surasti balansą tarp šaldymui naudojamos medžiagos teigiamo poveikio ir toksiškumo. Tada galima vykdyti griežtai kontroliuojamą šaldymą.
„Kai ląsteles patalpini į šaldymo tirpalą, svarbu, kad šaldymas vyktų lėtai, temperatūra kristų po 1 °C per minutę. Tam yra specialios dėžutės, padedančios reguliuoti temperatūrą. Kai temperatūra nukrinta iki –80 °C, ląstelės perkeliamos į skystą azotą ir ten saugomos“, – pasakoja mokslininkė A. Zentelytė.
Ląstelių šaldymas mokslo tikslais veda inovacijų link
Dr. A. Zentelytės nuomone, krioprezervacija moksle – itin svarbus metodas, leidžiantis užtikrinti eksperimentų tęstinumą ir toje pačioje įstaigoje, kur jie vykdyti prieš tai, ir kitose laboratorijose. Taip vyksta dalijimasis žiniomis, ilgainiui galintis lemti medicinos bei mokslo inovacijas.
„Tyrinėjant tam tikrus retus atvejus, pavyzdžiui, vėžio, jei yra retų mutacijų, dažnai turime vienetinius mėginius. Todėl svarbu juos dauginti ir šaldyti. Tokių mėginių tyrinėjimas galėtų padėti išaiškinti ligos eigą, išsivystymo priežastis ir atrasti tinkamą gydymo metodiką. Ląsteles padaugini, jas šaldai, o galiausiai – dalijiesi su kitomis laboratorijomis, kad kuo daugiau mokslininkų su skirtingomis kompetencijomis ir kuo įvairiapusiškiau ištyrinėtų mėginius. Kuo daugiau nuomonių, tuo didesnė tikimybė, kad bus koks nors proveržis ar sėkmė“, – mintimis dalijasi mokslininkė dr. Aistė Zentelytė.
Šiandien tam tikras ląsteles bei audinius Lietuvoje gali užšaldyti kiekvienas
Ląstelės bei tam tikri audiniai Lietuvoje šaldomi ne tik mokslo, bet ir asmeniniais tikslais. Mūsų šalyje veikia po aštuonis audinių ir lytinių ląstelių bankus.
Kaip teigia Nacionalinio transplantacijos biuro Transplantacijų koordinavimo skyriaus vedėjas Evaldas Valys, šiose įstaigose itin saugomos kraujodaros kamieninės ląstelės (kaulų čiulpų, periferinio kraujo, placentinio kraujo), riebalinio audinio kamieninės ląstelės, virkštelės audinys, amniono membrana, ragenos, raumeniniai ir kauliniai audiniai (kaulai, sąnariai, raiščiai, meniskai, kremzlės, raumenys, sausgyslės, fascijos ir jų dalys), oda, kraujagyslės, embrionai, reprodukciniai audiniai ir lytinės ląstelės.
Audinių ir ląstelių bankuose mėginiams užšaldyti pasitelkiami tie patys būdai, naudojami ir laboratorijoje: lėtas užšaldymas ir vitrifikacija. Mėginiai saugomi ypač žemoje temperatūroje (ji gali siekti ir –196 °C), azoto garuose arba skystame azote.
Kadangi užšaldytų audinių ir ląstelių savybės laikui bėgant nesikeičia, biologinių mėginių šaldymas leidžia iš donoro paimtus audinius ir ląsteles gydymui naudoti ne iš karto po paėmimo, o bet kada prireikus.
„Pavyzdžiui, prieš chemoterapiją surinktų ir užšaldytų paties paciento kraujodaros kamieninių ląstelių transplantacija po intensyvios chemoterapijos padeda atkurti jo kraujo kūnelių skaičių be atmetimo rizikos, galinčios kilti, jei būtų naudojamos donoro ląsteles.
Kitas pavyzdys – po sunkios kelio raiščio traumos siekiant atkurti kelio sąnario stabilumą, ortopedai traumatologai transplantacijai gali naudoti iš mirusio donoro paimtus ir audinių banke laikomus raiščius“, – teigia E. Valys.
Lietuvos audinių bankuose sėkmingai šaldomi audiniai, tačiau organų „užkonservuoti“ šaltyje vis dar negalime
Nors ląstelių ir audinių šaldymas skirtingais tikslais jau plačiai išplitęs visame pasaulyje, mokslininkams ir medikams vis dar didelis iššūkis šaldyti didelius organus ir vėliau juos panaudoti transplantacijoms.
Didžiausia problema – organą pažeidžiantis ir jo ląstelėse vykstantis vandens kristalų susidarymas. Nors sugalvota, kaip šio neigiamo užšaldymo bei atšildymo padarinio išvengti, kai šaldomos ląstelės bei nedideli audiniai, kristalizacijos proceso vis dar nesugebame pažaboti, jei atšildomos didesnio tūrio sistemos, pavyzdžiui, inkstai.
Ateitis – nanoatšildymas?
Vis dėlto, praeitais metais amerikiečiai mokslininkai pasiūlė inovatyvų didelių organų atšildymo metodą – nanoatšildymą. Šiluma generuojama ir organo paviršiuje, ir viduje, tą buvo sudėtinga pasiekti senesniais didelių biologinių sistemų atšildymo metodais. Organas atšyla tolygiai ir nesiformuoja ledo kristalai.
Jei norima įgyvendinti užšaldyto organo nanoatšildymą, jį reikia gerai pasiruošti ir užšaldyti. Į organo kraujo sistemą suleidžiamas ne tik krioprotektorius, bet ir geležies oksido nanodalelės. Tada organas atšaldomas iki –150 °C laipsnių temperatūros.
Pasiruošus transplantacijai, bandinys atšildomas radijo dažnio ritėje, kuri indukuoja kintamą magnetinį lauką. Šis nanodalelėse sukuria virpesių reakciją, visoje sistemoje susidaro šiluma. Per paskutinį etapą iš organo pašalinamas krioprotektorius ir nanodalelės, organas paruošiamas transplantacijai.
Taikydami nanoatšildymą, Z. Han ir kolegos pirmą kartą sėkmingai užšaldė nepažeistus organus (žiurkės inkstus), o po 100 dienų atšildė ir transplantavo kitai žiurkei. Gyvūnas su transplantuotais organais išgyveno dar 30 dienų po procedūros.
Galimybė užšaldyti žmogaus organus išspręstų ne vieną transplantacijos problemą
Organų transplantacija – viena skubiausiai vykdomų operacijų. Suradus donorą bei gavus jo organą, šis ligoniui turi būti perkeliamas nedelsiant. Nanoatšildymas ar alternatyvi organus išsaugoti padedanti technologija suteiktų galimybę transplantacijoms tinkamus organus panaudoti vėliau. Tai, pasak Nacionalinio transplantacijos biuro Transplantacijų koordinavimo skyriaus vedėjo Evaldo Valio, galėtų lemti transplantacijų skaičiaus augimą ir išgyvenamumo rodiklio po transplantacijos gerėjimą.
„Gydymui tinkamų donoro organų kartais atsisakoma vien todėl, kad tuo metu transplantacijai nėra tinkamo recipiento arba recipiento sveikatos būklė laikinai netinkama transplantacijos procedūrai. Jei organus būtų galima šaldyti, po paėmimo „organų banke“ jie galėtų „palaukti“, kol atsiras tinkamas recipientas, o atsiradus itin sunkios būklės ligoniui, kuriam transplantacijos reikia skubiai, donoro organą iš tokio banko būtų galima gauti greitai ir nereikėtų laukti, kol atsiras tinkamas donoras“, – sako pašnekovas.
Šaltiniai:
https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-021-00976-8
https://www.science.org/content/article/how-to-deep-freeze-entire-organ-bring-it-back-to-life
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38824-8
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7989039/#CR1
