Stále se vynořují otázky o zmrazení a znovuoživení živých tvorů. Je to ale skutečně možné? Jak se v třeskutém mrazu chová buňka?
Vědní obor (či technologický postup) kryokonzervace lze definovat jako uchování biologického materiálu v teplotách nižších než –80 oC.
Dokáží lidé to co zvířata?
Z hlediska vztahu živého tvora a mrazu je nasnadě analogie se zimním spánkem zvířat a také s možností přežití zvířat v ledu. Opravdu jsou dokumentovány případy, že byla nalezena zvířata v ledu, která při vzrůstu teploty opět normálně ožila. Je to tedy možné použít i pro nás, pro Homo sapiens? Odpověď je zatím jednoznačná: Nic podobného neumíme a jak vypadá odhad možností vědy asi hned tak umět nebudeme.
Musíme mít na paměti, že je skutečně rozdíl, nejen gramatický ale i faktický, mezi zmrzlým živočichem a živočichem zamrzlým v ledu. Některé organismy totiž dovedou syntetizovat určité ochranné látky, které chrání buňky před nízkými teplotami, tedy zaručují, že obsah buněk zůstává kapalný i při teplotách pod bodem mrazu. Ochrana je ale účinná pouze pro mnohem vyšší teploty, než je teplota v kryokonzervaci běžně používaného tekutého dusíku (-196oC). Tehdy totiž vše živé opravdu zmrzne a zahyne.
Živé buňky a nízká teplota
Kryokonzervace se rutinně používá při uchovávání mikroorganismů a některých specifických buněčných preparátů. Jde vlastně o roztoky, obsahující určité živé buňky, roztoky kostní dřeně, Langerhansových ostrůvků (žlázy s vnitřní sekrecí produkující inzulín a některé další hormony) či erytrocytů (červené krvinky) Dále je možné uchovávat některé části těl, např. srdeční chlopně. Podmínkou je, aby uchovávané části měly pokud možno homogenní složení, tedy aby se skládaly z pokud možno jediného typu buněk.
Důvod je prostý, technologie vlastní konzervace. Dosud nemáme žádnou univerzální metodu, jak zmrazit živé buňky, tak aby bylo zaručeno, že většina z nich přežije. Metody se považují za úspěšné, pokud zaručí přežití alespoň 30 % buněk (samozřejmě dle typu a druhu materiálu), takže kryokonzervace není něco, jako domácí uskladnění potravin v mrazničce.
Za vše může voda
Živé organismy se z větší části skládají z vody a větší část této vody je uvnitř buněk (intracelulární). Tomu sice vděčíme za to, že při chůzi nešploucháme, ale právě intracelulární voda zas brání tomu, abychom se nechali zmrazit a opět rozmrazit bez újmy na zdraví.
Ostatně každý si může provést jednoduchý a neškodný (nakonec i chutný) experiment: Několik jahod nechme zmrazit bez dalších úprav v normální mrazničce, druhý den je rozmrazíme a před konzumací můžeme zhodnotit jejich stav. Zjistíme, že od čerstvých jahod se dost liší. Jsou jaksi pomačkané, jejich struktura je zřetelně poškozena. Důvodem je voda v buňkach, která během postupného mrznutí vytvářela krystaly ledu. Tyto krystaly pak poškodily strukturu buněk, tedy buněčnou membránu. Lepších výsledků dosáhneme, pokud jahody prosypeme před zmražením cukrem. Ten dokáže volnou vodu částečně absorbovat. V tomto případě je tedy cukr látkou, která chrání buňky před poškozením vymrzajícími krystaly.
Není led jako led
Voda jako taková totiž s klesající teplotou mění své skupenství, neboli fázi. Nejde jenom o obecně známá skupenství (pára, kapalina, led). I led jako takový lze dále dělit podle fyzikálně–chemických vlastností. Při velmi nízkých teplotách je led ve formě tzv. skla, tedy ve velmi tvrdém kompaktním skupenství, ale než dosáhne této fáze musí projít i ostatními, tedy například krystalickou.
Z pohledu změn fyzikálních vlastností vody a roztoků, které se používají při kryokonzervaci, hrají důležitou roli některé teploty. Prvním teplotním mezníkem je teplota 0oC, při které mrzne čistá voda. Tato teplota se liší podle volné energie ve vodě rozpuštěných látek. Dalším teplotním mezníkem je teplota -38,1oC. Až k této teplotě lze zchladit malé množství čisté vody, aniž by se tvořily ledové krystalky. Nejnižší teplota pro růst krystalů ledu z vody je -139oC. Od této teploty se tvoří amorfní forma ledu (tzv. sklo). Již zmíněná teplota tekutého dusíku je -196oC. To je dostatečně nízká teplota, při níž nedochází k významným fyzikálním ani chemickým změnám. Tekutý dusík se proto běžně používá k dlouhodobému skladování biologických objektů, nejen vzhledem k jeho neutrálnosti a teplotním vlastnostem, ale také je relativně jednoduše technicky dostupný.
Zmrazit rychle nebo pomalu?
Pro vlastní kryokonzervaci biologického materiálu se používají dvě technologické metody. Liší se především v rychlosti zchlazování. První je metoda tzv. pomalého zmrazování rychlostí přibližně 1oC /min. Používá se pro konzervaci většího množství látky, případně i některých orgánů. Dochází při ní k postupnému vymrzání vody. Buňky navíc musí být chráněny různými látkami – dimethylsulfoxidem či glycerínem. Nově se začínají používat i látky na bázi proteinu. Jsou to látky vyráběné pomocí biotechnologií, odvozené z bílkovin, které dovedou jako ochranu před chladem produkovat někteří živočichové (např. mořské ryby či obojživelníci). Obdobné látky lze nalézt ale i v některých rostlinách.
Druhá metoda je charakteristická vysokými rychlostmi zmrazování (50 – 1000oC/min).
Vysoké rychlosti zmrazování jsou nutné proto, aby se ve vodných roztocích při zmrazování netvořily krystalky ledu, ale místo toho beztvará tzv. amorfní voda ve formě skla. Tato metoda je označována jako vitrifikace. Jde vlastně o vstřelovaní malých vzorků s buňkami přímo do chladícího média, obvykle dusíku.
Prodloužení života
Je tedy jasné, že současné sliby a sny o zmrazení a pozdějším znovuoživení člověka jsou nereálné. Reálné však jsou možnosti kryokonzervace, jejíž možnosti vědecké poznatky v budoucnu jistě ještě rozšíří. Pro věčné „přežití“ jedince to však nebude stačit.
Z posledních seriózních projektů kryokonzervace zdůrazněme zvláště projekt uchování kmenových buněk z pupečníkové krve, projekt, který přináší možnosti na opravdové prodloužení a záchranu života.
Pupečníková krev je množství krve, které po porodu, respektive po přestřižení pupečníkové šňůry zůstává v placentě. Nenahraditelnost placentární krve spočívá v tom, že obsahuje buňky, které se v organizmu už nikdy během života, v takové podobě, nevyskytnou. Jsou to tzv. zárodečné buňky, které mají společnou vlastnost – jsou schopny se množit a diferencovat (přeměňovat) na různé typy buněk, které organizmus potřebuje. Výzkum ukazuje, že kromě krvetvorných buněk jsou zárodečné buňky z placentární krve schopny se přeměnit i na kostní buňky, na buňky produkující inzulín, specifické buňky mozku, buňky srdečního svalu a jiné. V současnosti se však v praxi využívají hlavně krvetvorné zárodečné buňky.
Další informace naleznete:
www.alcor.org
www.kapkanadeje.cz
