Криобиология

Криобиология (от греч. cryo — холод, bios — жизнь и logos — наука) — раздел биологии, в котором изучаются эффекты воздействия низких температур на живые организмы. На практике, в рамках криобиологии занимаются исследованиями биологических объектов или систем при температурах ниже нормальных. В качестве объектов могут служить белки, клетки, ткани, органы, или целые организмы. Используются диапазон температур от умеренно низких до криогенных (от 0°С до близких к абсолютному нулю).
Проблемы криобиологии имеют большое теоретическое значение, т. к. связаны с выяснением нижних температурных границ жизни, механизмов адаптации в естественных условиях к холоду, сущности анабиоза и т. п. Практические аспекты криобиологии связаны с методами хранения и накопления биологических объектов, лечением с помощью холода (Криотерапия), выведением морозоустойчивых сортов растений, изучением зимовки вредителей сельского хозяйства, с деятельностью человека в полярных условиях и космической биологией.

Научные основы криобиологии заложены в конце 19 в. русским учёным П. И. Бахметьевым, изучавшим явление переохлаждения у насекомых и анабиоз у летучих мышей. П. Беккерель (1904—36) и австрийский учёный Г. Рам (1919—24) установили способность различных организмов (микроорганизмы, беспозвоночные — тихоходки, коловратки, нематоды), а также спор и семян переносить в высушенном состоянии глубокое охлаждение (до —269 и —271°С, т. е. до температур, близких к абсолютному нулю). В дальнейшем было показано, что некоторые растения и животные выживают при замерзании содержащейся в них воды.

Одна из основных проблем криобиологии — выяснение процессов, сопровождающих охлаждение живых систем и ведущих к необратимым повреждениям. Причин, вызывающих повреждения при охлаждении и замерзании, много. Большое значение имеет скорость охлаждения и отогревания. При медленном охлаждении сначала переходит в лёд вода окружающей клетку жидкости. Это приводит к потере клеткой воды, нарушению солевого равновесия между вне- и внутриклеточной жидкостью, повышению концентрации электролитов в клетке. Некоторые клетки вследствие этого погибают. Для того чтобы сохранить живыми клетки растений и некоторые ткани животных, требуется очень медленное охлаждение, при котором не происходит резкого изменения концентрации веществ в клетке.

Для неадаптированных к холоду клеток особенно опасно обезвоживание, т. к. возникают контакты внутриклеточных компонентов, которые при нормальных условиях разобщены; при этом происходят разрывы одних межмолекулярных связей и образование других, повреждения клеточных мембран и т. д. (изучением этих вопросов занимается криохимия) Подобные явления могут возникать и в случае образования кристаллов льда внутри клетки. Последние образуются обычно при быстром охлаждении (свыше 10 градусов в 1 мин). После окончания процесса охлаждения, при температурах выше — 120°С, начинается рост кристаллов (перекристаллизация, рекристаллизация). Увеличение их размеров особенно значительно при отогревании. Считают, что во время отогревания и оттаивания происходят основные повреждения в клетках. Как правило, при образовании внутри клетки кристаллов льда она погибает; однако клетки некоторых закалённых насекомых и злокачественных опухолей переносят внутриклеточную кристаллизацию воды.

При сверхбыстром охлаждении со скоростью нескольких сот градусов в 1 сек. (такое охлаждение возможно лишь у живых объектов, имеющих микроскопические размеры) большая часть воды превращается в аморфный лёд, структура которого мало отличается от структуры воды. Благодаря этому клетки не повреждаются и выживают независимо от своего происхождения. Но после сверхбыстрого глубокого охлаждения клетки сохраняют жизнеспособность лишь при очень быстром отогревании (за 3—10 сек), при котором можно избежать рекристаллизации. На практике этот метод сохранения клеток почти не применим ввиду невозможности сверхбыстрого охлаждения и отогревания более или менее крупных объектов.  Для сохранения живых систем в условиях низких температур применяют защитные вещества — криопротекторы. Среди них наиболее известны глицерин, диметилсульфоксид, сахара, гликоли, которые способны проникать в клетку, и некоторые полимерные соединения (поливинилпирролидон, полиэтиленоксид и др.), не проникающие в неё. Криопротекторы ослабляют эффект кристаллизации, изменяя её характер, препятствуют слипанию и денатурации макромолекул, способствуют сохранению целостности мембран клеток. Криопротекторы получили широкое применение в медицине и животноводстве для длительного хранения при низких температурах крови, тканей, органов, а также спермы домашних животных, используемой для искусственного осеменения.

Устойчивость многих наземных организмов к температурам ниже 0°С сильно изменяется в течение жизненного цикла, связанного с сезонами года. Так, у насекомых и растений сильно повышаются холодоустойчивость и морозоустойчивость при переходе к состоянию покоя (диапаузы у насекомых и клещей) ещё до наступления морозов. В начале периода покоя при температурах немного выше 0°С происходят значительные перестройки в обмене веществ и физико-химического состоянии клеток, повышающие устойчивость организмов. Накапливаются жиры, гликоген, сахара, образуются защитные вещества, изменяется состояние воды и белков в клетках. Насекомые в зависимости от их экологии приобретают способность сильно переохлаждаться иногда до минус 40°С или ещё ниже.  Некоторые виды насекомых и растений перезимовывают в замёрзшем состоянии. Хорошо переносят низкие и даже сверхнизкие температуры многие микроорганизмы (бактерии, дрожжи), мхи, лишайники и др. Обычно их холодоустойчивость связана с быстрым обезвоживанием, повышенной вязкостью цитоплазмы, наличием оболочки, препятствующей проникновению кристаллов в клетку, и др. Жизнедеятельность организмов (исключая теплокровных животных) прекращается обычно при температурах несколько ниже 0°С, но некоторые процессы обмена веществ могут протекать при температурах около —20°С (например, дыхание, фотосинтез) и даже ниже. В связи с этим представляет интерес малоизученная биология морских организмов, обитающих на подводных льдах Антарктики.

Основные направления криобиологических исследований:
 - Исследование адаптаций к холоду микроорганизмов, растений, беспозвоночных, и животных.
 - Криоконсервация клеток, тканей, гамет и эмбрионов животного и человеческого происхождения для длительного сохранения в медицинских целях. Это обычно требует применения криопротекторов.
 - Сохранение органов в гипотермических условиях для трансплантации.
 - Лиофилизация фармацевтических препаратов.
 - Криохирургия — хирургия с использованием криогенных газов/жидкостей для разрушения тканей.

Т.к. исследования в этой области на человеке сильно затруднены, ученые изучают холодоустойчивость и действие криопротекторов на различных животных, в основном беспозвоночных- проводятся исследования на червях, исследования на моллюсках, исследования на растениях и т.д.

Криобиология очень молода, этой науке всего несколько десятилетий. Сейчас криобиология ошибочно сводится к крионике. Научных споров в этой области гораздо меньше, чем этических. Во многом именно этические вопросы и консерватизм большинства ученых тормозят развитие криобиологии в русле, необходимом для победы над многими заболеваниями и старением. Никто не знает каковы будут достижения науки через 100 лет, смогут ли ученые разморозить и излечить подвергшихся крионической обработке. Кем они будут. Остается надеяться, что в будущем все эти вопросы будут так или иначе решены.

Крионика — это область научно-практической деятельности, которая объединяет в себе криобиологию, криогенную инженерию и практику клинической медицины с целью разработки и применения криостаза. Криостазом называют сохранение в неизменном состоянии биологических объектов путём их замораживания до ультранизких (криогенных) температур.
Целью крионики является перенос только что умерших или терминальных (обречённых на смерть) пациентов в тот момент в будущем, когда, вероятно, станут доступны технологии репарации («ремонта») клеток и тканей и, соответственно, будет возможно восстановление всех функций организма.
Этот метод основан на использовании холодового анабиоза и заключается в глубоком замораживании человека сразу после его смерти для переноса его таким образом в будущее, когда средствами молекулярной медицины его организм может быть оживлен (т.е. восстановлен, омоложен, разморожен и реанимирован). Хотя в научной среде нет единого мнения в оценке вероятности такой процедуры, этот метод, под названием крионика, в ограниченном масштабе применяется в США с конца 60-х годов.

Сейчас крионика- один из самых спорных вопросов в науке, наряду с клонированием. Можно процитировать одну из статей на сайте Российского Трансгуманистического движения:
Придет время, когда могущественная наука "сынов человеческих" сможет
воскресить крионически сохраненных людей и преобразовать их в
бессмертных существ, которые будут обладать Богочеловеческим
совершенством.

Подобные утверждения очень и очень спорны. В любом случае криобиология и ее направление- крионика еще очень молоды и разработки в этой области еще далеки от завершения.

XVII век - первые научные эксперименты по заморозке животных, впадающих в зимнюю спячку.
Вторая половина XVIII века - английским ученым Джоном Хантером выдвинута гипотеза, что можно продлить жизнь человека на любой срок, путем его циклического замораживания и оттаивания.
Начало XX века - русским ученым П.Бахметьевым проведены опыты по заморозке и разморозке куколок бабочек. Открыт первый криопротектор - глицерин. Опыты по безопасной заморозке небольших фрагментов тканей человека и других млекопитающих с использованием глицерина.
Середина XX века - развитие концепций о возможности восстановления органов и тканей на клеточном уровне после повреждений, связанных с заморозкой.
1956 год - французский ученый Луи Рэ заставил биться сердце куриного эмбриона, спустя несколько месяцев после его пребывания в жидком азоте. В качестве криопротектора использовался глицерин.
1964 год - выход первого издания книги Р.Эттингера "Перспективы бессмертия", положившей начало современной крионике.
1973 год - крионирован первый человек - умиравший от рака легкого профессор психологии Джеймс Бэдфорт.
1983 год - первые роды после переноса размороженных эмбрионов человека, полученных in vitro.
1992 год - исследователи компании BioTime заморозили бабуина до -2 градусов цельсия. В таком состоянии бабуин находился 55 минут, после чего был успешно разморожен
1995 год - американский биолог Юрий Пичугин произвел глубокую заморозку срезов головного мозга кролика, после разморозки мозг сохранил биоэлектрическую активность.
1996 год - заморожено до -196 градусов цельсия и затем успешно разморожено сердце крысы.
2002 год - рожден ребенок, зачатый при помощи спермы, находившейся в состоянии глубокой заморозки 21 год.
2005 год - крионирован первый россиянин - Лидия Федоренко.
2008 год - после глубокой заморозки успешно разморожена, а затем пересажена свинная печень.
Подробнее об истории крионики можно прочитать здесь.

В настоящее время по всему миру, несмотря на спорность, растет интерес к крионике. Большая часть разработок ведется в США. Проект криофирмы в России разрабатывался ещё с середины 90-х годов Михаилом Соловьёвым, Андреем Тропилло, Игорем Артюховым, и др. Первая за пределами США компания, предоставляющая услуги крионического сохранения, была основана в России в 2005 году в рамках проекта Российского Трансгуманистического Движения —  общественной организации, изучающей перспективы развития новейших технологий, для оказания услуг по криосохранению соучредителям и членам их семей.  Одни из основателей КриоРус- Валерия Прайд и Данила Медведев.
 После того, как выяснился некоторый интерес со стороны граждан, было принято решение предлагать услуги криосохранения (первоначально в Москве и Санкт-Петербурге). С 2006-го года криосохранение предлагается всем жителям России, СНГ, а также дальнего зарубежья.
На данный момент в распоряжении компании имеется криохранилище, расположенное у границ г. Москвы, в посёлке Алабушево Солнечногорского р-на Московской области. В хранилище размещено лабораторное оборудование, дьюар с жидким азотом на 250 литров, криостат для хранения тел в сухом льде, имеется круглосуточная охрана. Рядом расположены два независимых промышленных источника жидкого азота, что увеличивает надёжность хранения. Ведутся переговоры об изготовлении большого специализированного криостата для хранения тел в жидком азоте.
На данный момент в хранилище находятся три криопациента, для двоих из которых осуществляется нейросохранение (хранение головного мозга) в жидком азоте. Также в сухом льде хранится тело одного пациента полностью. Несколько человек заключили контракт на криосохранение.
Компанией «КриоРус» установлены партнёрские отношения с американским криодепозитарием Cryonics Institute (CI). Между «КриоРус» и CI заключена договорённость о помощи в транспортировке российских пациенто, желающих быть крионированными именно в CI.
Среди консультантов компании «КриоРус» — специалисты-криобиологи, в том числе, работающие в лабораториях США и Швейцарии, ведущие нанотехнологи, а также специалисты по выращиванию органов и др. вопросам генетики и клонирования.
КриоРус в СМИ

Крионика- широко обсуждаемое явление не только в науке, но и в обществе. Сейчас ведется множество дискуссий по вопросам крионики. Как бы то ни було, крионика- это способ сохранить человека до того момента в будущем, пока не будут открыты действенные методы борьбы с тяжелыми заболеваниями, в основном онкологическими. Исследования в крионике представляют несомненный научный интерес, но о действенности, о реальной возможности можно будет говорить только тогда, когда будет успешно разморожен хотя бы один из криоционированных пациентов. А для этого необходимы исследования:
 -Создание более совершенных криопротекторов
 -Отработка механизма размораживания
 -Изучение изменений, происходящих в организме после замораживания и размораживания
Пока это очень молодое направление науки, встречающее сопротивление в научных и общественных кругах, но для многих людей это надежда...надежда на будущее.

19 октября 2008 года