Cuando las células se congelan con PLL- (0,65), el proceso de congelación concentra las moléculas PLL- (0.65), lo que a su vez hace que se agreguen debido a fuertes fuerzas de atracción intermoleculares. Esta agregación de PLL- (0.65) atrapa iones y agua en la matriz para evitar cualquier cambio osmótico dramático. La matriz de polímero espesa inhibe la entrada de hielo extracelular en las células, lo que evita el problema de la formación de hielo intracelular (IIF). Imagen cortesía de Kazuaki Matsumura de JAIST.
La criopreservación implica la conservación de materiales biológicos, como las celdas, tejidos, y órganos, a temperaturas ultrabajas para que puedan reactivarse y utilizarse en una fecha posterior. Para lograr la criopreservación de manera que los materiales conservados no se dañen, Los científicos utilizan varios productos químicos llamados crioprotectores, que facilitan el proceso de congelación. Desafortunadamente, muchos de los agentes crioprotectores existentes tienen limitaciones importantes. Por ejemplo, El dimetilsulfóxido es útil para crioconservar glóbulos rojos, pero también es tóxico para las células.
Para superar estas limitaciones, Investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) y el RIKEN de Japón han experimentado con una clase de sustancias químicas conocidas como polianfolitos, identificar un polianfolito llamado ε-poli-ʟ-lisina carboxilada (COOH-PLL) como un crioprotector prometedor que no tiene efectos tóxicos en las células.
Sin embargo, el mecanismo por el cual COOH-PLL actúa como crioprotector seguía siendo poco conocido, y esto obstaculizó los esfuerzos por desarrollar mejores crioprotectores polianfolitos. Para abordar esta brecha de conocimiento, este equipo de investigadores, que fue dirigido por el profesor Kazuaki Matsumura de JAIST, y que también incluyó a Asst. El profesor Robin Rajan de JAIST y el Dr. Fumiaki Hayashi y el Dr. Toshio Nagashima de RIKEN, realizaron otro estudio en el que utilizaron un método llamado espectroscopia de resonancia magnética nuclear de estado sólido (RMN) para caracterizar lo que sucede con las moléculas de agua. iones de sodio y cloruro, y una forma de COOH-PLL llamada PLL- (0,65) cuando se mezclan y congelan a las temperaturas utilizadas en la criopreservación. Sus hallazgos aparecen en una edición reciente de la revista Communications Materials, revisada por pares.
Como se esperaba, Las señales de RMN registradas de estas soluciones congeladas indicaron una movilidad reducida a nivel molecular y una mayor viscosidad de la solución (es decir, mayor resistencia al flujo) a temperaturas ultrabajas. En tono rimbombante, Las moléculas de PLL- (0,65) atraparon las moléculas de agua y los iones de manera que impidieron la formación de cristales de hielo intracelulares y contrarrestaron los efectos del choque osmótico (una forma de disfunción fisiológica en la que un cambio repentino en las concentraciones de iones alrededor de una célula puede provocar entrada o salida rápida de líquido hacia o desde la celda, dañándolo). Los cristales de hielo intracelulares y el choque osmótico son las principales causas de daño celular o tisular durante la congelación. por lo que la capacidad de PLL- (0,65) para prevenir ambos ayuda a explicar su eficacia como crioprotector.
Al describir el valor científico de estos hallazgos, El profesor Matsumura destaca que el uso de la RMN "permitió caracterizar las propiedades crioprotectoras de los polímeros que operan a través de mecanismos diferentes a los de los crioprotectores actuales". Predice que esta caracterización "facilitará el diseño molecular de nuevos crioprotectores, "que" promoverá el uso clínico de agentes crioprotectores poliméricos que pueden servir como alternativas eficientes a los agentes de moléculas pequeñas como el dimetilsulfóxido y el glicerol ".
Los crioprotectores de molécula pequeña solo son útiles para preservar células y tejidos pequeños, pero los crioprotectores poliméricos pueden permitir a los investigadores lograr la criopreservación de grandes volúmenes de tejido o incluso órganos completos. Este sería un avance importante para campos emergentes como la medicina regenerativa, que tiene como objetivo restaurar las funciones fisiológicas normales reemplazando o regenerando células, tejidos, y órganos.
Los hallazgos del equipo también pueden tener importantes implicaciones para la biología básica. En años recientes, Los científicos han aprendido que las proteínas intrínsecamente desordenadas, que carecen de una forma tridimensional fija, desempeñan un papel importante en la protección de las células del daño relacionado con la desecación y el choque osmótico a bajas temperaturas. Debido a que las proteínas son en sí mismas una clase de polianfolitos, Estos hallazgos recientemente publicados sobre el comportamiento de COOH-PLL a temperaturas ultrabajas pueden ayudar a explicar los mecanismos por los cuales las proteínas intrínsecamente desordenadas protegen las células. La investigación adicional de los mecanismos de tales proteínas puede, a su vez, conducir al desarrollo de materiales avanzados con usos en la medicina regenerativa.
En conclusión, estos hallazgos pueden tener un valor considerable para la biología y la medicina. "Basado en nuestra comprensión ahora mejorada de los mecanismos de los agentes crioprotectores poliméricos, "señala el profesor Matsumura, "esperamos desarrollar nuevas tecnologías de criopreservación para grandes volúmenes de tejidos y órganos, lo que permitirá la implementación a escala industrial de la medicina regenerativa mediante el establecimiento de bancos de tejidos diseñados ". Estos pasos hacia la medicina regenerativa contribuirán en gran medida a mejorar la vida de las personas que padecen trastornos médicos que actualmente son incurables.
