Перспективные направления криоконсервации

Известно, что ткань, сохраненная при сверхнизких температурах (температуре жидкого азота до 196 С), может сохраняться очень долго без ухудшения своего состояния. Этот факт, дает возможность сохранения органов и тканей во время транспортировки и долгосрочного хранения для будущего использования.

К сожалению, в данный момент основной проблемой криоконсервации является не заморозка как таковая, а восстановление тканей и органов во время оттаивания. До сих пор нет методики, которая бы 100% нам гарантировала выживание после глубокого замораживания.


Основные направления криоконсервации.

1. Разработка криопротекторов для наиболее успешного замораживания, наименее токсичных, и не вызывающих побочных реакций организма. Либо исследование методов  криоконсервации без использования криопротекторов.

2. Способы востановления органов, тканей и организма после размораживания.

3. Разработка методов для криоконсервации человека в медицинсих целях.

Все три направления исследований добиваются одного результата, продления жизни и биоразнообразия на Земле.

В 1980 году Грегори М. Фэхи (Gregory M. Fahy, Ph.D.) опубликовал статью о замораживании и удачном оттаивании нескольких типов органов и тканей кролика с использованием диметилсульфоксида. Например удалось заморозить при -135 C - оттаять почку кролика, а затем успешно ее пересадить.

Грегори М. Фэхи
Gregory M. Fahy, Ph.D.

Отрасль: криобиология и геронтология

Основная идея вмешательства: криоконсервация целых органов методом витрификации.

В настоящее время Грегори М. Фэхи является вице-президентом и главным научным сотрудником в научно-исследовательской компании Медицина 21-го века, Калифорния (Twenty First Century Medicine, Inc.).
После удачной разморозки и пересадки почки кролика, компания занимается исследованием и разработкой менее токсичных криопротекторов с минимальным формированием льда. А так же ведут исследования по поиску синтетических блокаторов формирования льда, которые были бы подобны белкам антифризам найденные в живых организмах Арктики.

В перспективе, витрификация будет использоваться для сохранения человеческих органов и тканей для последующей трансплантации нуждающимся.

Основные публикации по теме:

Нейтрализация токсичности криопротектора.
Cryoprotectant toxicity neutralization. Fahy GM. Cryobiology. 2009 Jun 6. [Epub ahead of print]

Криоконсервация печени и частей почек крысы быстрым замораживанием и витрификацией.
Cryopreservation of rat precision-cut liver and kidney slices by rapid freezing and vitrification. de Graaf IA, Draaisma AL, Schoeman O, Fahy GM, Groothuis GM, Koster HJ. Cryobiology. 2007 Feb;54(1):1-12. Epub 2006 Dec 12.

Место работы: научно-исследовательская компания Медицина 21-го века, Калифорния

Веб-сайт лаборатории: http://www.21cm.com/

Контакты:
21st Century Medicine
Fontana, CA
Toll Free in the U.S.
(866) 889-1215
Outside the U.S.
(909) 466-8633
FAX:
(909)-466-8618
Contract Research & Collaboration
Research@21cm.com
General Business
Corporate@21cm.com
Investment Queries
Investments@21cm.com
All Other Queries:
Info@21cm.com

Антонина Михайловна Компаниец (д.б.н, ст. науч. сотр.)

Отрасль: криобиология

Основная идея вмешательства: системное изучение криопротекторов, поиск, прогнозирование и создание новых криозащитных соединений.

Антонина Михайловна Компаниец в настоящий момент является старшим научным сотрудником, руководитель отдела криопротекторов Института криобиологии и криомедицины НАН.

Область интересов А.Н. Компаниец исследование гомологичных рядов веществ - полиолов, амидов и их производных, продуктов направленного синтеза; установлении характера взаимосвязи между криозащитной активностью, цитотоксичностью, токсичностью соединений и их химической структурой и физико-химическими свойствами.

В работе реализуется один из способов создания и получения, новых криопротекторов - химическая модификация известных соединений. Так же значительное место в исследованиях занимают направления связанные с фазовыми превращениями и разработкой способов управления ими для оптимизации технологии низкотемпературного консервирования различных клеточных суспензий и тканей.

В результате работы в этой области были получены данные для управления рекристаллизационными процессами типа "кристалл-кристалл", "витрификация-девитрификация" в средах с различными криопротекторами (добавками углеводов, белков, поверхностно-активных веществ и др.).

В настоящее время в отделе исследуются растворы, содержащие криопротекторы и биологически-активные вещества которые в дальнейшем смогут позволить охладить теплокровных существ до сверхнизких температур, также занимаются проблемой поиска эффективных криопротекторов для криоконсервации эритроцитов с использованием 1,2-пропандиолом (криоконсервант "Пропандиосахароль") в отделе криопротекторов Институте криобиологии и криомедицины НАН, Украина.

Основные публикации по теме:

Переливания при системных болезнях крови.
Platelet transfusions in systemic blood diseases. Agranenko VA, Kompaniets AM, Kaveshnikova BF. Gematol Transfuziol. 1994 Mar-Apr;39(2):32-7. Russian.

Физические состояния водных растворов содержащие oxyethylated glycerol со степенью полимеризации n=30 при температурах ниже чем 283 K.
Physical states of aqueous solutions of oxyethylated glycerol with polymerization degree of n=30 at temperatures lower than 283 K. Zhivotova EN, Zinchenko AV, Kuleshova LG, Chekanova VV, Kompaniets AM. Cryo Letters. 2007 Jul-Aug;28(4):261-70.

Место работы: Институт проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины

Веб-сайт лаборатории: http://www.cryo.org.ua

Контакты:
Украина, 61015, Харьков, ул. Переяславская 23,
Институт проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины
Тел: +38 (057) 373-41-43, 373-38-07, 373-30-39;
Факс: +38 (057) 373-30-84
E-mail: cryo@online.kharkov.ua

(Cryprotectors Department
Institute for Problems of Cryobiology and Cryomedicine of the National Academy of Sciences of the Ukraine
23, Pereyaslavskaya str., 61015, Kharkov, Ukraine
Tel.: +38(057) 772-20-07
FAX: +38(057) 772-00-84
e-mail: cryo@online.kharkov.ua)

Все больше исследователей в сфере изучения крионики применительно к криоконсервации органов, тканей и даже целого организма, обращают свой взор к нанотехнологиям. На данный момент это единственная надежда полностью восстановить и очистить организм от криопротекторов после оттаивания.

Центральная идея нанотехнологии – то, что почти любая структура, совместимая с законами химии и физики, которая может быть определена, может быть построена. Эта возможность была сначала выдвинута Ричардом Фейнманом в 1959, когда он сказал: "принципы физики, насколько я могу видеть, не противоречат возможности манипуляции веществом на уровне атомного взаимодействия." (Richard P. Feynman выиграл 1965 Нобелевскую премию в физике).

Нанотехнология это область элементарных частиц, и эта область очень далека от того к чему привык человек.  Для описания этих законов, используется наука - квантовая физика - оперирующая совершенно иными понятиями, нежели классическая. На ее законы и опирается нанотехнология — технология объектов, размеры которых не превышают 10 мкм.

Ральф Меркле один из передовых ученых работающий над созданием способа восстановления организмов после криоконсервации.

Ральф, Меркле
Ralph Merkle, Ph.D.

Отрасль: молекулярная нанотехнология и крионика

Основная идея вмешательства: восстановление пациентов после криоконсервации с помощью нанотехнологии.

Ральф Меркле в настоящий момент является директором Фонда продления жизни Alcor, Аризона. Так же является профессором Технологического института, Джоржия (Georgia Institute of Technology).

Область интересов Ральфа это молекулярное воспроизводство (нанотехнология или молекулярная нанотехнология) для получения новых видом молекулярных соединений для широкого поля применения, начиная от пищевой промышленности и заканчивая нанокомпьютерами. Главная задача исследования получение программируемых молекулярных соединений, которые в дальнейшем могут использоваться так же для восстановления криконсервированных тканей на молекулярном и клеточных уровнях.


Основные публикации по теме:

Минимальный комплект инструментов для позиционного алмазного механосинтеза.
A Minimal Toolset for Positional Diamond Mechanosynthesis. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience Vol.5, 760–861, 2008. Robert A. Freitas Jr. and Ralph C. Merkle.

Изучения ab initio водородной абстракции из прототипа углеродных систем.
High-level ab initio studies of hydrogen abstraction from prototype hydrocarbon systems. Temelso B, Sherrill CD, Merkle RC, Freitas RA Jr. J Phys Chem A. 2006 Sep 28;110(38):11160-73.

Техника выполнения крионики.
The technical feasibility of cryonics. Merkle RC. Med Hypotheses. 1992 Sep;39(1):6-16.

Место работы: Технологический институт, Джоржия, США

Веб-сайт лаборатории: http://www.merkle.com

Контакты:
Manager of compiler development, Elxsi, 1980-1988
Research scientist, Xerox PARC, 1988-1999
Nanotechnology Theorist, Zyvex, 1999-2003
Professor, Georgia Tech College of Computing, 2003-2006

Устройство ремонта - ассемблер, специализирован для ремонта ткани вообще, и замороженной ткани в частности. Предполагается, что у ассемблера масса между 10(9) и 10(10) amu. Это обеспечивает возможность для увеличения способности ассемблера, если это будет необходимо.

Молекулярный ассемблер представляет собой сложную конструкцию, который насчитывает несколько миллионов атомов, но все-таки является одной молекулой.Простым органическим синтезом, получить такую молекулу не реально, поэтому проблема решается постепенно - сначала синтезировать отдельные элементы, а затем сложит конструкцию до того момента, чтобы они воспроизводили сами себя.

У ассемблера, должно быть достаточно памяти, чтобы сохранить программы, требуемые для выполнения всего ремонта. Однако, если это связано с сетью (таким же образом, как и обычные компьютеры могут быть связаны в локальную сеть), тогда, единственный "сервер" может предоставить необходимую информацию для всех ассемблеров в сети.

Сервер может хранить информацию: все программное обеспечение и данные, в которых будут нуждаться ассемблеры. Почти вся емкость сервера может быть пущена на хранение информации.

В настоящее время самый минимальный размер транзистора, возможен до 100 нм. И к сожалению чем меньше он становится, тем более вероятно влияние квантовых эффектов на его функционирование.

Поэтому скорее всего придется отказаться от кремния и воспользоваться наноэлектронными компонентами основанные не на классических, а на квантовых принципах работы. Например, в 1997 г. группой под руководством Дж. Тура был синтезирован молекулярный резонансно-туннельный диод, представляющий собой одну-единственную молекулу. Благодаря точно рассчитанному распределению электронной плотности в ней возникает потенциальная яма, в которой и происходят квантовые эффекты. Использование молекулярных нанокомпонентов позволит сократить размеры схем еще в 10–100 раз.

Основная проблема изготовление ассемблера и всей молекулярной нанотехнологии в том, что в настоящее время невозможно адекватно просчитать все химические и физические факторы. Но дальнейшее развитие математического и физического аппарат поможет решить эту проблему.

Ассемблер предложил K. Эрик Дрекслер, как устройство похожее на маленький робот, который был бы способен к самокопированию, доставке необходимых веществ, управлением их в местоположение химической реакции, а также производству нужных соединений на месте.

К. Эрик Дрекслер
K. Eric Drexler, Ph.D.

Отрасль: молекулярная нанотехнология

Основная идея вмешательства: создание нанороботов и использование их в управлении химическими реакциями и структурных нанотехнологий ДНК.

Эрик Дрекслер в настоящий момент является главным техническим советником Nanorex, Калифорния.

Главная задача исследования молекулярно-технической компании Nanorex разработка программного обеспечения, которое бы было в состоянии моделировать получение программируемых молекулярных соединений, которые в дальнейшем могут использоваться так же для восстановления криоконсервированных тканей на молекулярном и клеточных уровнях.

Область интересов Эрика это решение глобальных проблем экологии с помощью нанотехнологий совместно с Мировым Фондом Дикой природы.

Основные публикации по теме:

Производительные наносистемы: физика молекулярного изготовления.
Productive nanosystems: the physics of molecular fabrication. Drexler, K.E. (2005) Physics Education 40:339-346.

Проект и дизайн для молекулярного инструмента для передачи углерода в механосинтезе
Design and Analysis of a Molecular Tool for Carbon Transfer in Mechanosynthesis [pdf, 1.0 MB] Allis, D.G. and K.E. Drexler (2005) J. Comput. Theor. Nanosci 2:45-55.

Место работы: молекулярно-техническая компания Nanorex, США

Веб-сайт лаборатории: http://www.nanoengineer-1.com/content/

Контакты:
Nanorex, Inc.
P.O. Box 7188
Bloomfield Hills, MI 48302-7188
USA
Phone: 248-456-0700
Fax: 248-456-0701

Что такое медицинский наноробот, и какие его функциональные особенности?

Наноробот должен иметь: хорошую навигационную систему, несколько различных сенсоров для мониторинга, мощная транспортная система, набор телескопических манипуляторов (для работы с пораженными структурами), а так же приемо – передаточных устройств (для связи друг с другом), для удержания крупных объектов необходимы телескопические захваты. Для хорошей биологической совместимости наноробот должен быть изготовлен из алмазоида или сапфироида.

На основании этого можно построить модель медицинского наноробота, который будет производить диагностику, ремонтировать поврежденные ткани, клетки и органы, анализировать и корректировать ДНК, уничтожать бактерии и вирусы.

Роберт Фрейтас.
Robert A. Freitas Jr., J.D.

Отрасль: молекулярная нанотехнология

Основная идея вмешательства: создание нанороботов и использование их в молекулярном производстве для восстановления тела на молекулярном уровне.

Роберт Фрейтас в настоящий момент является главным научным сотрудником в Институте молекулярного производства (IMM), США.

Основное направление работы, это молекулярное производство, которое позволит в будущем строить, создавать молекулы сложной спецификации, анализировать.
Их технологии позволят создать такое производства в течение последующих 15-20 лет. Технологии молекулярного производства с помощью нанотехнологий будет решена проблема лечения и восстановления любого организма на молекулярном уровне.

В соответствии с работой Роберта Фрейтаса, максимальный размер устройства не должен превышать 1×1×3 микрона (без двигательных жгутиков).




Развитие данной технологии, позволит с успехом решить проблему восстановления отдельных органов и тканей, а так же целого организма в процессе размораживания после криоконсервации при сверхнизких температурах.

Так же эта технология позволит создавать искусственные клетки крови, или клетки с новой функциональной особенностью (например, respirocytes, который поможет человеку дышать подводой). Позволит так же отказаться от антибиотиков при лечении любых инфекционных заболеваний. Вылечить рак и залечить любые раны. Заменять хромосомы, таким образом избавить нас от генетических заболеваний. Убрать накопленные дефекты в организме, которые приводят к старению человека, и продлить жизнь и молодость в десятки раз.

Основные публикации по теме:

Нанотехнология, наномедицина и нанохирургия.
Nanotechnology, nanomedicine and nanosurgery. Freitas RA Jr. Int J Surg. 2005;3(4):243-6. Epub 2005 Nov 28. No abstract available.

Медицинский наноробот, архитектура основанная на нанобиоэлектронике.
Medical nanorobot architecture based on nanobioelectronics. Cavalcanti A, Shirinzadeh B, Freitas RA Jr, Kretly LC. Recent Pat Nanotechnol. 2007;1(1):1-10.

Место работы: Институт молекулярного производства, США

Веб-сайт лаборатории: http://www.imm.org/

Контакты:
Institute for Molecular Manufacturing
555 Bryant Street, Suite 354
Palo Alto, CA 94301 USA
Phone (650) 917-1120
Fax (650) 917-1120 with same
Email admin@imm.org

Как известно биологические системы могут оставаться неизменными в течении многих лет при сверх низких температурах. Одна из надежда медиков при многих заболеваниях, это сохранение человека до тех пор, пока не появятся новые технологии и методы лечения. Существующие методы криоконсервации целого организма требуют остановки сердца за несколько минут до замораживания, но проведенные исследования на кошках показали, что восстановление функции мозга возможно.

Возможность же восстановления организма после замораживания это дело будущих технологий.

Во время криоконсервации, организм может получить два вида повреждения.

• 
  1. Химическое изменение молекул организма, особенно мозга.
  

• 2. Потеря биологической информации.
  

С первым видом повреждения успешно справятся нанороботы. Второй же вид повреждения исправить не возможно, так как связан не с клинической смертью, а с истинной смертью человека. К сожалению на данный момент человечество не обладает знаниями, чтобы восстановить личность человека.

Трансплантация органов, может быть использована для продления жизни человека и его борьбы со старением. На данный момент множество людей находятся в состоянии ожидания пересадки органа, и их количество все растет. Эту потребность не могут покрыть пересадка органов от умерших людей, поэтому регенеративная медицина может быть одним из средств получения достаточного количества органов и тканей.

В этом случае необходимо обеспечить долговременное хранение клеток, органов и тканей до того времени как они могут понадобиться.

Брайен Вовк.
Brian Wowk Ph.D.

Отрасль: регенеративная медицина и криобиология

Основная идея вмешательства: криоконсервация клеток, органов и тканей методом витрификации для последующей трансплантации нуждающимся людям.

Брайен G. Wowk, доктор философии - медицинский физик и криобиолог, известный открытием и развитием синтетических молекул, которые подражают деятельности естественных белков антифриза во время криоконсервации. Иногда эти молекулы называют "ледяные блокаторы".

В настоящее время Брайен Вовк. является старшим научным сотрудником в научно-исследовательской компании Медицина 21-го века, Калифорния (Twenty First Century Medicine, Inc.).

Были успешно заморожены множества тканей, таких как вены, артерии, хрящи, и сердечные клапаны, и даже целые яичники методом витрификации. 




На рисунке эффекты замораживания-таяния (верх) и витрификации (низ) для искуственной почки.

Основные публикации по теме:

Термодинамичиские аспекты витрификации.
Thermodynamic aspects of vitrification. Wowk B. Cryobiology. 2009 Jun 16. [Epub ahead of print]

Криоконсервация сложных систем: недостающее звено в регенератвной медицине.
Cryopreservation of complex systems: the missing link in the regenerative medicine supply chain. 
Fahy GM, Wowk B, Wu J. Rejuvenation Res. 2006 Summer;9(2):279-91. Review. Erratum in: Rejuvenation Res. 2006 Winter;9(4):509.


Место работы: научно-исследовательская компания Медицина 21-го века, Калифорния

Веб-сайт лаборатории: http://www.21cm.com/

Контакты:
21st Century Medicine
Fontana, CA
Toll Free in the U.S.
(866) 889-1215
Outside the U.S.
(909) 466-8633
FAX:
(909)-466-8618