Cryobiologie - Cryobiology
La cryobiologie est la branche de la biologie qui étudie les effets des basses températures sur les êtres vivants dans la cryosphère terrestre ou en science. Le mot cryobiologie est dérivé des mots grecs κρῧος [kryos], "froid", βίος [bios], "vie", et λόγος [logos], "mot" (d'où la science). En pratique, la cryobiologie est l'étude du matériel ou des systèmes biologiques à des températures inférieures à la normale. Les matériaux ou systèmes étudiés peuvent inclure des protéines , des cellules , des tissus , des organes ou des organismes entiers . Les températures peuvent aller de conditions modérément hypothermiques à des températures cryogéniques .
Domaines d'étude
Au moins six domaines majeurs de la cryobiologie peuvent être identifiés : 1) étude de l'adaptation au froid des micro - organismes , des plantes ( résistance au froid ) et des animaux, à la fois des invertébrés et des vertébrés (y compris l' hibernation ), 2) la cryoconservation des cellules, des tissus, des gamètes et embryons d'origine animale et humaine à des fins (médicales) de stockage à long terme par refroidissement à des températures inférieures au point de congélation de l'eau. Cela nécessite généralement l'ajout de substances qui protègent les cellules pendant la congélation et la décongélation ( cryoprotecteurs ), 3) la conservation des organes dans des conditions d'hypothermie pour la transplantation , 4) la lyophilisation ( lyophilisation ) des produits pharmaceutiques , 5) la cryochirurgie , un (minimalement) invasif approche pour la destruction de tissus malsains à l'aide de gaz/fluides cryogéniques, et 6) physique de la surfusion , de la nucléation /croissance de la glace et des aspects de génie mécanique du transfert de chaleur pendant le refroidissement et le réchauffement, appliqués aux systèmes biologiques. La cryobiologie inclurait la cryogénie , la préservation à basse température des humains et des mammifères dans l'intention d'une renaissance future, bien que cela ne fasse pas partie de la cryobiologie traditionnelle, dépendant fortement d'une technologie spéculative encore à inventer. Plusieurs de ces domaines d'études reposent sur la cryogénie , la branche de la physique et de l' ingénierie qui étudie la production et l'utilisation de très basses températures .
Cryoconservation dans la nature
De nombreux organismes vivants sont capables de tolérer des périodes prolongées à des températures inférieures au point de congélation de l'eau. La plupart des organismes vivants accumulent des cryoprotecteurs tels que des protéines antinucléées , des polyols et du glucose pour se protéger des dommages causés par le gel par les cristaux de glace tranchants. La plupart des plantes, en particulier, peuvent atteindre en toute sécurité des températures de -4 °C à -12 °C.
Bactéries
Trois espèces de bactéries, Carnobacterium pleistocenium , Chryseobacterium greenlandensis et Herminiimonas glaciei , auraient été réanimées après avoir survécu pendant des milliers d'années gelées dans la glace. Certaines bactéries, notamment Pseudomonas syringae , produisent des protéines spécialisées qui servent de puissants nucléateurs de glace, qu'elles utilisent pour forcer la formation de glace à la surface de divers fruits et plantes à environ -2 °C. Le gel provoque des lésions de l'épithélium et rend les nutriments des tissus végétaux sous-jacents disponibles pour les bactéries. Listeria se développe lentement à des températures aussi basses que -1,5 °C et persiste pendant un certain temps dans les aliments surgelés.
Les plantes
De nombreuses plantes subissent un processus appelé durcissement qui leur permet de survivre à des températures inférieures à 0 °C pendant des semaines, voire des mois.
Animaux
Invertébrés
Les nématodes qui survivent en dessous de 0 °C comprennent Trichostrongylus colubriformis et Panagrolaimus davidi . Les nymphes de blattes ( Periplaneta japonica ) survivent à de courtes périodes de congélation à -6 à -8 °C. Le scolyte plat rouge ( Cucujus clavipes ) peut survivre après avoir été congelé à -150 °C. Le moucheron des champignons Exechia nugatoria peut survivre après avoir été congelé à -50 °C, grâce à un mécanisme unique par lequel des cristaux de glace se forment dans le corps mais pas dans la tête. Upis ceramboides est un autre coléoptère résistant au gel . Voir écologie hivernale des insectes et protéine antigel . Un autre invertébré qui tolère brièvement des températures allant jusqu'à -273 °C est le tardigrade .
Les larves d' Haemonchus contortus , un nématode , peuvent survivre 44 semaines congelées à -196 °C.
Vertébrés
Pour la grenouille des bois ( Rana sylvatica ), en hiver, jusqu'à 45 % de son corps peut geler et se transformer en glace. "Des cristaux de glace se forment sous la peau et s'intercalent parmi les muscles squelettiques du corps. Pendant le gel, la respiration, le flux sanguin et le rythme cardiaque de la grenouille cessent. La congélation est rendue possible par des protéines spécialisées et du glucose, qui empêchent la congélation et la déshydratation intracellulaires. " La grenouille des bois peut survivre jusqu'à 11 jours congelée à -4 °C.
Les autres vertébrés qui survivent à des températures corporelles inférieures à 0 °C comprennent les tortues peintes ( Chrysemys picta ), les rainettes grises ( Hyla versicolor ), les tortues-boîtes ( Terrapene carolina - 48 heures à -2 °C ), la rainette crucifère ( Pseudacris crucifer ), la jarretière les serpents ( Thamnophis sirtalis - 24 heures à -1,5 °C), la rainette faux-grillon ( Pseudacris triseriata ), la salamandre de Sibérie ( Salamandrella keyserlingii - 24 heures à -15,3 °C), le lézard commun européen ( Lacerta vivipara ) et les poissons antarctiques tels que Pagothenia borchgrevinki . Des protéines antigel clonées à partir de ces poissons ont été utilisées pour conférer une résistance au gel à des plantes transgéniques .
Les spermophiles arctiques en hibernation peuvent avoir des températures abdominales aussi basses que -2,9 °C (26,8 °F), maintenant des températures abdominales inférieures à zéro pendant plus de trois semaines à la fois, bien que les températures à la tête et au cou restent à 0 °C ou plus.
Cryobiologie appliquée
Contexte historique
L'histoire de la cryobiologie remonte à l'Antiquité. Dès 2500 avant JC, les basses températures étaient utilisées en Egypte en médecine. L'utilisation du froid a été recommandée par Hippocrate pour arrêter les saignements et l'enflure. Avec l'émergence de la science moderne, Robert Boyle a étudié les effets des basses températures sur les animaux.
En 1949, la semence de taureau a été cryoconservée pour la première fois par une équipe de scientifiques dirigée par Christopher Polge . Cela a conduit à une utilisation beaucoup plus large de la cryoconservation aujourd'hui, avec de nombreux organes , tissus et cellules stockés régulièrement à basse température . Les gros organes tels que les cœurs sont généralement stockés et transportés, pendant de courtes périodes seulement, à des températures fraîches mais non glaciales pour la transplantation . Les suspensions cellulaires (comme le sang et le sperme) et les coupes de tissus minces peuvent parfois être stockées presque indéfiniment à la température de l' azote liquide ( cryoconservation ). Le sperme, les ovules et les embryons humains sont systématiquement stockés dans les recherches et les traitements sur la fertilité . La vitesse contrôlée et la congélation lente sont des techniques bien établies, lancées au début des années 1970, qui ont permis la première naissance congelée d'embryons humains (Zoe Leyland) en 1984. Depuis lors, des machines qui congèlent des échantillons biologiques à l'aide d'étapes programmables, ou de vitesses contrôlées, ont toutes dans le monde entier pour la biologie humaine, animale et cellulaire - « congeler » un échantillon pour mieux le conserver en vue d'une éventuelle décongélation, avant qu'il ne soit surgelé ou cryoconservé dans de l'azote liquide. Ces machines sont utilisées pour congeler les ovocytes, la peau, les produits sanguins, les embryons, le sperme, les cellules souches et la conservation générale des tissus dans les hôpitaux, les cabinets vétérinaires et les laboratoires de recherche. Le nombre de naissances vivantes à partir d'embryons « congelés lentement » est d'environ 300 000 à 400 000, soit 20 % des 3 millions de naissances fécondées in vitro estimées . Le Dr Christopher Chen, Australie, a signalé la première grossesse au monde utilisant des ovocytes surgelés à partir d'un congélateur britannique à vitesse contrôlée en 1986.
La cryochirurgie (destruction intentionnelle et contrôlée des tissus par formation de glace) a été réalisée par James Arnott en 1845 lors d'une opération sur un patient atteint d'un cancer. La cryochirurgie n'est pas courante.
Techniques de conservation
La cryobiologie en tant que science appliquée est principalement concernée par la conservation à basse température. Le stockage hypothermique est généralement supérieur à 0 °C mais inférieur aux températures normothermiques (32 °C à 37 °C) chez les mammifères. Le stockage par cryoconservation, en revanche, se situera dans la plage de température de -80 à -196 °C. Les organes et les tissus sont plus fréquemment les objets de stockage hypothermique, tandis que les cellules individuelles ont été les objets les plus courants cryoconservés.
Une règle de base dans le stockage hypothermique est que chaque baisse de température de 10 °C s'accompagne d'une diminution de 50 % de la consommation d'oxygène . Bien que les animaux en hibernation aient des mécanismes adaptés pour éviter les déséquilibres métaboliques associés à l'hypothermie, les organes hypothermiques et les tissus maintenus pour la transplantation nécessitent des solutions de conservation spéciales pour contrer l' acidose , une activité réduite de la pompe à sodium . et augmentation du calcium intracellulaire . Des solutions spéciales de préservation d'organes telles que Viaspan (solution de l'Université du Wisconsin), HTK et Celsior ont été conçues à cet effet. Ces solutions contiennent également des ingrédients pour minimiser les dommages causés par les radicaux libres , prévenir les œdèmes , compenser la perte d' ATP , etc.
La cryoconservation des cellules est guidée par "l'hypothèse à deux facteurs" du cryobiologiste américain Peter Mazur , qui affirme qu'un refroidissement trop rapide tue les cellules par formation de glace intracellulaire et qu'un refroidissement trop lent tue les cellules soit par toxicité électrolytique, soit par écrasement mécanique. Lors d'un refroidissement lent, la glace se forme de manière extracellulaire, ce qui fait que l'eau quitte les cellules par osmose , les déshydratant ainsi. La glace intracellulaire peut être beaucoup plus dommageable que la glace extracellulaire.
Pour les globules rouges , la vitesse de refroidissement optimale est très rapide (près de 100 °C par seconde), alors que pour les cellules souches, la vitesse de refroidissement optimale est très lente (1 °C par minute). Les cryoprotecteurs, tels que le diméthylsulfoxyde et le glycérol , sont utilisés pour protéger les cellules du gel. Divers types de cellules sont protégés par 10 % de diméthylsulfoxyde. Les cryobiologistes tentent d'optimiser la concentration du cryoprotecteur (en minimisant à la fois la formation de glace et la toxicité) et la vitesse de refroidissement. Les cellules peuvent être refroidies à une vitesse optimale à une température comprise entre -30 et -40 °C avant d'être plongées dans l'azote liquide.
Les méthodes de refroidissement lent reposent sur le fait que les cellules contiennent peu d' agents de nucléation , mais contiennent des substances vitrifiantes naturelles qui peuvent empêcher la formation de glace dans les cellules qui ont été modérément déshydratées. Certains cryobiologistes recherchent des mélanges de cryoprotecteurs pour une vitrification complète (aucune formation de glace) dans la préservation des cellules, des tissus et des organes. Les méthodes de vitrification posent un défi dans l'exigence de rechercher des mélanges cryoprotecteurs qui peuvent minimiser la toxicité.
Chez l'homme
Les gamètes humains et les embryons à deux, quatre et huit cellules peuvent survivre à la cryoconservation à -196 °C pendant 10 ans dans des conditions de laboratoire bien contrôlées.
La cryoconservation chez l'homme en ce qui concerne l'infertilité implique la conservation des embryons, du sperme ou des ovocytes par congélation. La conception, in vitro , est tentée lorsque le sperme est décongelé et introduit dans les ovules « frais », les ovules congelés sont décongelés et le sperme est placé avec les ovules et, ensemble, ils sont replacés dans l'utérus ou un embryon congelé est introduit dans le utérus. La vitrification a des défauts et n'est pas aussi fiable ou prouvée que la congélation de spermatozoïdes, d'ovules ou d'embryons fécondés que les méthodes traditionnelles de congélation lente, car les œufs seuls sont extrêmement sensibles à la température. De nombreux chercheurs congèlent également du tissu ovarien avec les ovules dans l'espoir que le tissu ovarien puisse être transplanté dans l'utérus, stimulant ainsi des cycles d'ovulation normaux. En 2004, Donnez de Louvain en Belgique a signalé la première naissance ovarienne réussie à partir de tissu ovarien congelé. En 1997, des échantillons de cortex ovarien ont été prélevés sur une femme atteinte d'un lymphome de Hodgkin et cryoconservés dans un congélateur à vitesse contrôlée (Planer, Royaume-Uni), puis stockés dans de l'azote liquide. La chimiothérapie a été initiée après une insuffisance ovarienne prématurée de la patiente. En 2003, après congélation-décongélation, une autogreffe orthotopique de tissu cortical ovarien a été réalisée par laparoscopie et après cinq mois, des signes de réimplantation indiquaient une récupération de cycles ovulatoires réguliers. Onze mois après la réimplantation, une grossesse intra-utérine viable a été confirmée, ce qui a donné lieu à la première naissance vivante de ce type – une fille nommée Tamara.
L'hypothermie thérapeutique , par exemple lors d' une chirurgie cardiaque sur un cœur "froid" (générée par une perfusion froide sans formation de glace) permet des opérations beaucoup plus longues et améliore les taux de récupération des patients.
Sociétés scientifiques
La Society for Cryobiology a été fondée en 1964 pour rassembler ceux des sciences biologiques, médicales et physiques qui ont un intérêt commun pour les effets des basses températures sur les systèmes biologiques. En 2007, la Society for Cryobiology comptait environ 280 membres du monde entier, dont la moitié sont basés aux États-Unis. Le but de la Société est de promouvoir la recherche scientifique en biologie des basses températures, d'améliorer la compréhension scientifique dans ce domaine, et de diffuser et appliquer ces connaissances au profit de l'humanité. La Société exige de tous ses membres les normes éthiques et scientifiques les plus élevées dans l'exercice de leurs activités professionnelles. Selon les statuts de la Société , l'adhésion peut être refusée aux candidats dont la conduite est jugée préjudiciable à la Société ; en 1982, les statuts ont été modifiés explicitement pour exclure « toute pratique ou application de congélation de personnes décédées en prévision de leur réanimation », malgré les objections de certains membres cryogénistes, comme Jerry Leaf . La Société organise une réunion scientifique annuelle consacrée à tous les aspects de la biologie des basses températures. Cette réunion internationale offre des opportunités de présentation et de discussion sur les recherches les plus récentes en cryobiologie, ainsi que d'examiner des aspects spécifiques à travers des colloques et des ateliers. Les membres sont également tenus informés des nouvelles et des prochaines réunions par le biais du bulletin d'information de la Société, News Notes . Le président 2011-2012 de la Society for Cryobiology était John H. Crowe.
La Society for Low Temperature Biology a été fondée en 1964 et est devenue un organisme de bienfaisance enregistré en 2003 dans le but de promouvoir la recherche sur les effets des basses températures sur tous les types d'organismes et leurs cellules, tissus et organes constitutifs. En 2006, la société comptait environ 130 membres (principalement britanniques et européens) et tient au moins une assemblée générale annuelle. Le programme comprend généralement à la fois un symposium sur un sujet d'actualité et une session de communications libres sur tout aspect de la biologie des basses températures. Des colloques récents ont porté sur la stabilité à long terme, la préservation des organismes aquatiques, la cryoconservation des embryons et des gamètes , la préservation des plantes, la microscopie à basse température , la vitrification (formation de verre de systèmes aqueux pendant le refroidissement), la lyophilisation et les banques de tissus . Les membres sont informés par le biais du Bulletin de la Société, qui est actuellement publié trois fois par an.
Journaux
Cryobiology (éditeur : Elsevier ) est la principale publication scientifique dans ce domaine, avec environ 60 contributions à comité de lecture publiées chaque année. Les articles concernent tout aspect de la biologie et de la médecine des basses températures (par exemple, congélation, lyophilisation , hibernation, tolérance et adaptation au froid, composés cryoprotecteurs, applications médicales de la température réduite, cryochirurgie, hypothermie et perfusion d'organes).
Cryo Letters est une revue de communication rapide indépendante basée au Royaume-Uni qui publie des articles sur les effets produits par les basses températures sur une grande variété de processus biophysiques et biologiques, ou des études impliquant des techniques à basse température dans l'investigation de sujets biologiques et écologiques.
Biopréservation et biobanques (cellule anciennement préservation de la technologie) est un comité de lecture revue trimestrielle revue scientifique publiée par Mary Ann Liebert, Inc. dédiée au large spectre de technologies de conservation , y compris la cryoconservation , l' état de sec ( anhydrobiosis ), et l' état vitreux et l' entretien hypothermique . Cell Preservation Technology a été rebaptisé Biopreservation and Biobanking et est le journal officiel de l'International Society for Biological and Environmental Repositories.