Researchers have synthesised a polymer that limits ice crystal growth in frozen red blood cells as they thaw. The polymer is set to pave the way for similar synthetic structures that mimic the properties of natural antifreeze proteins.
Antifreeze proteins have been a hot topic since they were first discovered in Antarctic fish in the 1960s. They have a wide range of potential applications in aerospace, the food industry and in biomedicine, where they are used in cryopreservation.
During cryopreservation, cells and tissues are stored at sub-zero temperatures and thawed before use. However, frozen cells can be damaged as they defrost. When ice melts, it can refreeze into larger crystals that puncture cells from the outside. This process, called recrystallisation, is especially damaging for organs and blood bags, which defrost over a long time.
‘If you directly freeze cells they don’t survive due to ice-induced damage, and the traditional solution is to add antifreeze solvents [such as glycerol or dimethylsulfoxide (DMSO)]. Although these work, they involve complex preparation procedures, and transfusing large volumes of solvent is not desirable,’ explains Matthew Gibson, whose team at the University of Warwick, UK, synthesised the new antifreeze polymer.
Robert Ben, who specialises in ice recrystallisation inhibiting cryoprotectants at the University of Ottawa, Canada, comments that ‘alternatives to the conventional cryoprotectants are urgently required as the fields of regenerative medicine and tissue engineering continue to advance’.
Unlike proteins, which need to be extracted or expressed in microorganisms, polymers are more accessible, processable, tunable and cheaper. Gibson’s group modified an already available polymer called a polyampholyte, which is composed of monomers with both positively and negatively charged groups. The polymer functions outside the cells, so it can be washed-off after thawing. This may explain its good compatibility with red blood cells. Up to 60% red blood cell recovery after freezing was observed during slow thawing when the new polymer was used, and this increased to 80% when the cells were thawed quickly. Notably, the polymer was capable of inhibiting ice recrystallisation by 50%.
Gibson admits that the mechanism by which the synthesised polymer inhibits ice recrystallisation is still not clear. Although it has been assumed for many years that macromolecules had to bind directly to ice crystal faces to inhibit growth, their work supports the idea that binding to ice crystals is not essential. ‘It seems that they somehow disrupt the rate exchange of water molecules between ice crystals, via the quasi liquid layer, although we do not have direct evidence for this at the moment. As to why the ampholyte structure works, we are not sure, but we are thinking that it might be a semi-rigid polymer due to charged interactions along the backbone, which helps.’
‘Cheap, non-toxic, degradable polymers that inhibit ice recrystallisation may become attractive non-permeating additives for cryopreservation of red blood cells if these boost cell recovery by more than 80% and allow for prolonged post-thaw storage. Such polymers have not yet been licensed or introduced into clinical practice,’ states Ilja Voets, whose group at the Eindhoven University of Technology, Netherlands, is also interested in engineering synthetic polymers with anti-freeze properties.
The results support earlier findings that ice recrystallisation inhibition is a desirable property for cryopreservation enhancement, rather than the polymer acting directly on the cell. More importantly, Gibson thinks that their findings ‘highlight the need for new technologies to address the challenges of an ageing population – for regenerative medicines (eg those based on stem cells) to be exploited, we need to enable the banking, and distribution of the new tissues, which we feel our materials can contribute to.’ He believes that ‘ice recrystallisation inhibition could be ‘dialed in’ to a range of molecules and polymers if we can understand how they function. It goes without saying that we are very excited about the future of these materials.’
Results (
Thai) 2:
[Copy]Copied!
นักวิจัยได้สังเคราะห์โพลิเมอร์ที่ จำกัด การเจริญเติบโตของผลึกน้ำแข็งแช่แข็งเซลล์เม็ดเลือดแดงที่พวกเขาละลาย ลิเมอร์มีการตั้งค่าเพื่อปูทางสำหรับโครงสร้างที่คล้ายกันสังเคราะห์ที่เลียนแบบคุณสมบัติของโปรตีนสารป้องกันการแข็งตัวตามธรรมชาติ.
โปรตีนแข็งตัวได้รับเป็นหัวข้อร้อนตั้งแต่พวกเขาค้นพบครั้งแรกในปลาขั้วโลกใต้ในปี 1960 พวกเขามีความหลากหลายของการใช้งานที่มีศักยภาพในการบินและอวกาศ, อุตสาหกรรมอาหารและใน biomedicine ที่พวกเขาจะใช้ในการเก็บรักษา. ในระหว่างการเก็บรักษาเซลล์และเนื้อเยื่อที่ถูกเก็บไว้ในอุณหภูมิที่ศูนย์ย่อยและละลายก่อนการใช้งาน อย่างไรก็ตามเซลล์แช่แข็งได้รับความเสียหายขณะที่พวกเขาละลายน้ำแข็ง เมื่อน้ำแข็งละลายก็สามารถ refreeze เข้าไปในผลึกขนาดใหญ่ที่เจาะเซลล์จากภายนอก กระบวนการนี้เรียกว่า recrystallisation, โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเสียหายอวัยวะและถุงเลือดซึ่งละลายในช่วงเวลานาน. 'ถ้าคุณโดยตรงแช่แข็งเซลล์พวกเขาไม่ได้อยู่รอดเนื่องจากความเสียหายที่เกิดน้ำแข็งและแก้ปัญหาแบบเดิมคือการเพิ่มตัวทำละลายสารป้องกันการแข็งตัว [ เช่นกลีเซอรอลหรือ Dimethylsulfoxide (DMSO)] แม้ว่างานเหล่านี้พวกเขาเกี่ยวข้องกับขั้นตอนการเตรียมการที่ซับซ้อนและ transfusing ปริมาณมากของตัวทำละลายไม่พึงประสงค์ 'แมทธิวกิบสันอธิบายซึ่งทีมที่ University of Warwick, สหราชอาณาจักร, สังเคราะห์โพลิเมอร์สารป้องกันการแข็งตัวใหม่. โรเบิร์ตเบนที่มีความเชี่ยวชาญในน้ำแข็งยับยั้ง recrystallisation cryoprotectants ที่มหาวิทยาลัยออตตาวาแคนาดาแสดงความคิดเห็นว่า "ทางเลือกในการ cryoprotectants ธรรมดาจะต้องเร่งด่วนในขณะที่ด้านการปฏิรูปการแพทย์และวิศวกรรมเนื้อเยื่อต่อไปล่วงหน้า '. ซึ่งแตกต่างจากโปรตีนซึ่งจะต้องมีการสกัดหรือแสดงในจุลินทรีย์โพลีเมอมีมากขึ้น สามารถเข้าถึง processable, พริ้งและราคาถูก กลุ่มกิ๊บสันดัดแปลงลิเมอร์ที่มีอยู่แล้วเรียกว่า polyampholyte ซึ่งประกอบด้วยโมโนเมอร์ที่มีทั้งกลุ่มบวกและประจุลบ ฟังก์ชั่นโพลีเมอนอกเซลล์เพื่อที่จะสามารถล้างออกหลังจากละลาย นี้อาจอธิบายว่าเข้ากันได้ดีกับเซลล์เม็ดเลือดแดง ได้ถึง 60% การฟื้นตัวของเซลล์เม็ดเลือดแดงหลังจากที่พบว่าการแช่แข็งในช่วงละลายช้าเมื่อลิเมอร์ใหม่ที่ถูกนำมาใช้และเพิ่มขึ้นถึง 80% เมื่อเซลล์ถูกละลายอย่างรวดเร็ว ยวดลิเมอร์มีความสามารถในการยับยั้งการ recrystallisation น้ำแข็งโดย 50%. กิบสันยอมรับว่ากลไกที่ลิเมอร์สังเคราะห์ยับยั้ง recrystallisation น้ำแข็งยังไม่ชัดเจน แม้ว่าจะได้รับการสันนิษฐานเป็นเวลาหลายปีที่โมเลกุลมีการผูกโดยตรงกับผลึกน้ำแข็งใบหน้าในการยับยั้งการเจริญเติบโตทำงานของพวกเขาสนับสนุนความคิดที่ว่าผูกพันกับผลึกน้ำแข็งไม่จำเป็น "มันดูเหมือนว่าพวกเขาอย่างใดรบกวนอัตราแลกเปลี่ยนของโมเลกุลน้ำระหว่างผลึกน้ำแข็งผ่านชั้นของเหลวกึ่งแม้ว่าเราไม่ได้มีหลักฐานตรงนี้ในขณะนี้ ว่าทำไม ampholyte โครงสร้างการทำงานเราไม่แน่ใจ แต่เราคิดว่ามันอาจจะพอลิเมอกึ่งแข็งเนื่องจากการปฏิสัมพันธ์เรียกเก็บพร้อมแกนนำซึ่งจะช่วยให้. ' 'ราคาถูก, ปลอดสารพิษ, โพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ที่ยับยั้งน้ำแข็ง recrystallisation อาจกลายเป็นน่าสนใจน้ำซับที่ไม่ใช่สารเติมแต่งสำหรับเก็บรักษาของเซลล์เม็ดเลือดแดงถ้ากู้คืนมือถือเหล่านี้เพิ่มขึ้นกว่า 80% และอนุญาตให้มีการจัดเก็บข้อมูลการโพสต์ละลายเป็นเวลานาน โพลีเมอดังกล่าวยังไม่ได้รับใบอนุญาตหรือนำเข้าสู่การปฏิบัติทางคลินิก 'ระบุ Ilja Voets ซึ่งกลุ่มที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Eindhoven, เนเธอร์แลนด์, นอกจากนี้ยังมีความสนใจในงานวิศวกรรมโพลิเมอร์สังเคราะห์ที่มีคุณสมบัติป้องกันการแช่แข็ง. ผลการสนับสนุนผลการวิจัยก่อนหน้านี้ว่า recrystallisation น้ำแข็ง ยับยั้งการเป็นสถานที่ให้บริการที่น่าพอใจสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บรักษามากกว่าลิเมอร์ที่ทำหน้าที่โดยตรงในเซลล์ ที่สำคัญกิบสันคิดว่าการค้นพบของพวกเขาเน้นความจำเป็นในการใช้เทคโนโลยีใหม่ในการรับมือกับความท้าทายของประชากรสูงอายุ - สำหรับยาที่เกิดใหม่ (เช่นผู้ที่อยู่บนพื้นฐานของเซลล์ต้นกำเนิด) ที่จะใช้ประโยชน์เราต้องเปิดใช้งานการธนาคารและการกระจายของ เนื้อเยื่อใหม่ซึ่งเรารู้สึกว่าวัสดุของเราสามารถนำไป. เขาเชื่อว่า 'น้ำแข็งยับยั้ง recrystallisation อาจจะ' โทรออกใน 'ช่วงของโมเลกุลและโพลิเมอร์ถ้าเราสามารถเข้าใจวิธีการทำงาน มันไปโดยไม่บอกว่าเรารู้สึกตื่นเต้นมากเกี่ยวกับอนาคตของวัสดุเหล่านี้.
Being translated, please wait..