La criobiología es la rama de la biología que estudia los efectos de las bajas temperaturas en los seres vivos dentro de la criosfera de la Tierra o en la ciencia. La palabra criobiología se deriva de las palabras griegas κρῧος [kryos], "frío", βίος [bios], "vida" y λόγος [logos], "palabra". En la práctica, la criobiología es el estudio de material o sistemas biológicos a temperaturas inferiores a lo normal. Los materiales o sistemas estudiados pueden incluir proteínas , células , tejidos , órganos u organismos completos . Las temperaturas pueden variar desde condiciones moderadamente hipotérmicas hasta temperaturas criogénicas .
Se pueden identificar al menos seis áreas principales de la criobiología: 1) estudio de la adaptación al frío de microorganismos , plantas ( resistencia al frío ) y animales, tanto invertebrados como vertebrados (incluida la hibernación ), 2) criopreservación de células, tejidos, gametos y embriones de origen animal y humano para fines (médicos) de almacenamiento a largo plazo enfriándolos a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua. Esto generalmente requiere la adición de sustancias que protegen las células durante la congelación y descongelación ( crioprotectores ), 3) conservación de órganos en condiciones de hipotermia para trasplantes , 4) liofilización ( liofilización ) de productos farmacéuticos , 5) criocirugía , un método (mínimamente) invasivo. enfoque para la destrucción de tejido no saludable utilizando gases/fluidos criogénicos, y 6) física del sobreenfriamiento , nucleación /crecimiento del hielo y aspectos de ingeniería mecánica de la transferencia de calor durante el enfriamiento y el calentamiento, aplicados a sistemas biológicos. La criobiología incluiría la criónica , la preservación a bajas temperaturas de humanos y mamíferos con la intención de un resurgimiento futuro, aunque esto no es parte de la criobiología convencional, y depende en gran medida de tecnología especulativa aún por inventar. Varias de estas áreas de estudio se basan en la criogenia , la rama de la física y la ingeniería que estudia la producción y el uso de temperaturas muy bajas .
Muchos organismos vivos pueden tolerar períodos prolongados de tiempo a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua. La mayoría de los organismos vivos acumulan crioprotectores como proteínas antinucleantes , polioles y glucosa para protegerse contra los daños causados por los cristales de hielo afilados. La mayoría de las plantas, en particular, pueden alcanzar con seguridad temperaturas de -4 °C a -12 °C.
Según los informes, tres especies de bacterias, Carnobacterium pleistocenium , Chryseobacterium greenlandensis y Herminiimonas glaciei , han resucitado después de sobrevivir durante miles de años congeladas en hielo. Ciertas bacterias, en particular Pseudomonas syringae , producen proteínas especializadas que sirven como potentes nucleadores de hielo, que utilizan para forzar la formación de hielo en la superficie de diversas frutas y plantas a aproximadamente -2 °C. [1] La congelación provoca daños en los epitelios y hace que los nutrientes de los tejidos vegetales subyacentes estén disponibles para las bacterias. [2] Listeria crece lentamente en temperaturas tan bajas como -1,5 °C y persiste durante algún tiempo en alimentos congelados. [3]
Muchas plantas se someten a un proceso llamado endurecimiento que les permite sobrevivir a temperaturas inferiores a 0 °C durante semanas o meses.
Los nematodos que sobreviven por debajo de 0 °C incluyen Trichostrongylus colubriformis y Panagrolaimus davidi . Las ninfas de las cucarachas ( Periplaneta japonica ) sobreviven breves períodos de congelación entre -6 y -8 °C. El escarabajo rojo de la corteza plana ( Cucujus clavipes ) puede sobrevivir después de haber sido congelado a -150 °C. [4] El mosquito del hongo Exechia nugatoria puede sobrevivir después de haber sido congelado a -50 °C, mediante un mecanismo único mediante el cual se forman cristales de hielo en el cuerpo pero no en la cabeza. Otro escarabajo tolerante a las heladas es el Upis ceramboides . [5] Véase ecología invernal de insectos y proteína anticongelante . Otro invertebrado que tolera brevemente temperaturas de hasta -273 °C es el tardígrado .
Las larvas del nematodo Haemonchus contortus pueden sobrevivir 44 semanas congeladas a -196 °C.
En el caso de la rana de bosque ( Rana sylvatica ), en invierno, hasta el 45% de su cuerpo puede congelarse y convertirse en hielo. "Los cristales de hielo se forman debajo de la piel y se intercalan entre los músculos esqueléticos del cuerpo. Durante la congelación, la respiración, el flujo sanguíneo y los latidos del corazón de la rana cesan. La congelación es posible gracias a proteínas especializadas y glucosa, que previenen la congelación intracelular y la deshidratación". [6] [7] La rana de madera puede sobrevivir hasta 11 días congelada a -4 °C.
Otros vertebrados que sobreviven a temperaturas corporales inferiores a 0 °C son las tortugas pintadas ( Chrysemys picta ), las ranas arbóreas grises ( Hyla versicolor ), las ranas de páramo (Rana arvalis), las tortugas de caja ( Terrapene carolina - 48 horas a -2 °C), mirón ( Pseudacris crucifer ), culebras de liga ( Thamnophis sirtalis - 24 horas a -1,5 °C), rana coro ( Pseudacris triseriata ), salamandra siberiana ( Salamandrella llaveserlingii - 24 horas a -15,3 °C), [8] lagarto común europeo ( Lacerta vivipara ) y peces antárticos como Pagothenia borchgrevinki . [9] [10] Se han utilizado proteínas anticongelantes clonadas de dichos peces para conferir resistencia a las heladas a plantas transgénicas . [ cita necesaria ]
Las ardillas terrestres del Ártico que hibernan pueden tener temperaturas abdominales tan bajas como -2,9 °C (26,8 °F), manteniendo temperaturas abdominales bajo cero durante más de tres semanas seguidas, aunque las temperaturas en la cabeza y el cuello permanecen en 0 °C o más. [11]
La historia de la criobiología se remonta a la antigüedad. Ya en el año 2500 a.C. en Egipto se utilizaban las bajas temperaturas en medicina. Hipócrates recomendó el uso de frío para detener el sangrado y la hinchazón. Con el surgimiento de la ciencia moderna, Robert Boyle estudió los efectos de las bajas temperaturas en los animales.
En 1949, el semen de toro fue criopreservado por primera vez por un equipo de científicos dirigido por Christopher Polge . [12] Esto llevó a un uso mucho más amplio de la criopreservación en la actualidad, con muchos órganos , tejidos y células almacenados rutinariamente a bajas temperaturas . Los órganos grandes, como los corazones , generalmente se almacenan y transportan, sólo por períodos cortos, a temperaturas frescas pero no heladas para su trasplante . Las suspensiones de células (como sangre y semen) y secciones delgadas de tejido a veces se pueden almacenar casi indefinidamente a temperatura de nitrógeno líquido ( criopreservación ). El esperma, los óvulos y los embriones humanos se almacenan habitualmente en investigaciones y tratamientos de fertilidad . La congelación lenta y de velocidad controlada son técnicas bien establecidas que fueron pioneras a principios de la década de 1970 y que permitieron el primer nacimiento congelado de un embrión humano (Zoe Leyland) en 1984. Desde entonces, se han utilizado en todas partes máquinas que congelan muestras biológicas mediante pasos programables o velocidades controladas. en todo el mundo para la biología humana, animal y celular: 'congelar' una muestra para preservarla mejor para su eventual descongelación, antes de congelarla o criopreservarla en nitrógeno líquido. Estas máquinas se utilizan para congelar ovocitos, piel, productos sanguíneos, embriones, espermatozoides, células madre y conservación general de tejidos en hospitales, consultorios veterinarios y laboratorios de investigación. El número de nacimientos vivos de embriones 'congelados lentamente' es de unos 300.000 a 400.000 o el 20% de los 3 millones de nacimientos fertilizados in vitro estimados . El Dr. Christopher Chen, de Australia, informó sobre el primer embarazo del mundo utilizando ovocitos congelados lentamente en un congelador británico de velocidad controlada en 1986.
La criocirugía (destrucción intencionada y controlada de tejido mediante formación de hielo) fue realizada por James Arnott en 1845 en una operación a un paciente con cáncer.
La criobiología como ciencia aplicada se ocupa principalmente de la conservación a baja temperatura. El almacenamiento hipotérmico suele estar por encima de 0 °C pero por debajo de las temperaturas normotérmicas (32 °C a 37 °C) de los mamíferos. El almacenamiento mediante criopreservación, por otro lado, estará en el rango de temperatura de -80 a -196 °C. Los órganos y tejidos son con mayor frecuencia objetos de almacenamiento hipotérmico, mientras que las células individuales han sido los objetos criopreservados más comunes.
Una regla general en el almacenamiento hipotérmico es que cada reducción de 10 °C en la temperatura va acompañada de una disminución del 50 % en el consumo de oxígeno . [13] Aunque los animales en hibernación han adaptado mecanismos para evitar los desequilibrios metabólicos asociados con la hipotermia, los órganos y tejidos hipotérmicos que se mantienen para trasplantes requieren soluciones de conservación especiales para contrarrestar la acidosis , actividad deprimida de la bomba de sodio . y aumento del calcio intracelular . Para este fin se han diseñado soluciones especiales de conservación de órganos como Viaspan (solución de la Universidad de Wisconsin), HTK y Celsior. [14] Estas soluciones también contienen ingredientes para minimizar el daño de los radicales libres , prevenir el edema , compensar la pérdida de ATP , etc.
La criopreservación de células se guía por la "hipótesis de dos factores" del criobiólogo estadounidense Peter Mazur [ enlace muerto permanente ] , que afirma que un enfriamiento excesivamente rápido mata las células mediante la formación de hielo intracelular y un enfriamiento excesivamente lento mata las células ya sea por toxicidad de los electrolitos o por aplastamiento mecánico. [15] Durante el enfriamiento lento, se forma hielo extracelularmente, lo que hace que el agua abandone osmóticamente las células, deshidratándolas . El hielo intracelular puede ser mucho más dañino que el hielo extracelular.
Para los glóbulos rojos , la velocidad de enfriamiento óptima es muy rápida (casi 100 °C por segundo), mientras que para las células madre la velocidad de enfriamiento óptima es muy lenta (1 °C por minuto). Los crioprotectores, como el dimetilsulfóxido y el glicerol , se utilizan para proteger las células de la congelación. Una variedad de tipos de células están protegidas por un 10% de dimetilsulfóxido. [16] Los criobiólogos intentan optimizar la concentración de crioprotector (minimizando tanto la formación de hielo como la toxicidad) y la velocidad de enfriamiento. Las células se pueden enfriar a un ritmo óptimo a una temperatura entre -30 y -40 °C antes de sumergirlas en nitrógeno líquido.
Los métodos de enfriamiento lento se basan en el hecho de que las células contienen pocos agentes nucleantes , pero contienen sustancias vitrificantes naturales que pueden prevenir la formación de hielo en células que han sido moderadamente deshidratadas. Algunos criobiólogos buscan mezclas de crioprotectores para una vitrificación completa (cero formación de hielo) en la preservación de células, tejidos y órganos. Los métodos de vitrificación plantean un desafío ante la necesidad de buscar mezclas crioprotectoras que puedan minimizar la toxicidad.
Los gametos humanos y los embriones de dos, cuatro y ocho células pueden sobrevivir a la criopreservación a -196 °C durante 10 años en condiciones de laboratorio bien controladas. [17]
La criopreservación en humanos con respecto a la infertilidad implica la preservación de embriones, espermatozoides u ovocitos mediante congelación. La concepción, in vitro , se intenta cuando los espermatozoides se descongelan y se introducen en los óvulos "frescos", los óvulos congelados se descongelan y los espermatozoides se colocan con los óvulos y juntos se vuelven a colocar en el útero o se introduce un embrión congelado en el útero. La vitrificación tiene fallas y no es tan confiable ni está tan probada como la congelación de espermatozoides, óvulos o embriones fertilizados como los métodos tradicionales de congelación lenta porque los óvulos por sí solos son extremadamente sensibles a la temperatura. Muchos investigadores también están congelando tejido ovárico junto con los óvulos con la esperanza de que el tejido ovárico pueda trasplantarse nuevamente al útero, estimulando los ciclos normales de ovulación. En 2004, Donnez de Lovaina, Bélgica, informó del primer parto ovárico exitoso a partir de tejido ovárico congelado. En 1997, se tomaron muestras de corteza ovárica de una mujer con linfoma de Hodgkin y se criopreservaron en un congelador de velocidad controlada (Planer, Reino Unido) y luego se almacenaron en nitrógeno líquido. La quimioterapia se inició después de que la paciente presentara insuficiencia ovárica prematura. En 2003, después de la congelación y descongelación, se realizó un autotrasplante ortotópico de tejido cortical ovárico mediante laparoscopia y, después de cinco meses, los signos de reimplantación indicaron la recuperación de los ciclos ovulatorios regulares. Once meses después de la reimplantación, se confirmó un embarazo intrauterino viable, del que resultó el primer nacimiento vivo de este tipo: una niña llamada Tamara. [18]
La hipotermia terapéutica , por ejemplo durante una cirugía cardíaca con un corazón "frío" (generada por perfusión fría sin formación de hielo) permite operaciones mucho más largas y mejora las tasas de recuperación de los pacientes.
La Sociedad de Criobiología se fundó en 1964 para reunir a aquellos de las ciencias biológicas, médicas y físicas que tienen un interés común en los efectos de las bajas temperaturas en los sistemas biológicos . En 2007, la Sociedad de Criobiología tenía alrededor de 280 miembros de todo el mundo, y la mitad de ellos tenían su sede en Estados Unidos. El propósito de la Sociedad es promover la investigación científica en biología de bajas temperaturas, mejorar la comprensión científica en este campo y difundir y aplicar este conocimiento en beneficio de la humanidad. La Sociedad exige de todos sus miembros los más altos estándares éticos y científicos en el desempeño de sus actividades profesionales. Según los estatutos de la Sociedad , se puede negar la membresía a los solicitantes cuya conducta se considere perjudicial para la Sociedad; En 1982, los estatutos fueron modificados explícitamente para excluir "cualquier práctica o aplicación de congelar a personas fallecidas en anticipación de su reanimación", a pesar de las objeciones de algunos miembros que eran crionicistas, como Jerry Leaf . [19] La Sociedad organiza una reunión científica anual dedicada a todos los aspectos de la biología de bajas temperaturas. Este encuentro internacional ofrece oportunidades para la presentación y discusión de las investigaciones más actualizadas en criobiología, así como la revisión de aspectos específicos a través de simposios y talleres. Los miembros también se mantienen informados sobre las noticias y las próximas reuniones a través del boletín informativo de la sociedad, News Notes . El presidente de la Sociedad de Criobiología en 2011-2012 fue John H. Crowe. [20]
La Sociedad de Biología de Bajas Temperaturas se fundó en 1964 y se convirtió en una organización benéfica registrada en 2003 [21] con el propósito de promover la investigación sobre los efectos de las bajas temperaturas en todo tipo de organismos y sus células, tejidos y órganos constituyentes. En 2006, la sociedad tenía alrededor de 130 miembros (en su mayoría británicos y europeos) y celebra al menos una asamblea general anual. El programa suele incluir tanto un simposio sobre un tema de actualidad como una sesión de comunicaciones gratuitas sobre cualquier aspecto de la biología de bajas temperaturas. Simposios recientes han incluido estabilidad a largo plazo, preservación de organismos acuáticos, criopreservación de embriones y gametos , preservación de plantas, microscopía de baja temperatura , vitrificación (formación de vidrio de sistemas acuosos durante el enfriamiento), liofilización y bancos de tejidos . Los miembros son informados a través del Boletín de la Sociedad, que actualmente se publica tres veces al año.
Cryobiology (editor: Elsevier ) es la publicación científica más importante en esta área, con alrededor de 60 contribuciones arbitradas publicadas cada año. Los artículos se refieren a cualquier aspecto de la biología y la medicina de las bajas temperaturas (por ejemplo, congelación, liofilización , hibernación, tolerancia y adaptación al frío, compuestos crioprotectores, aplicaciones médicas de temperatura reducida, criocirugía, hipotermia y perfusión de órganos).
Cryo Letters es una revista independiente de comunicación rápida con sede en el Reino Unido que publica artículos sobre los efectos producidos por las bajas temperaturas en una amplia variedad de procesos biofísicos y biológicos , o estudios que involucran técnicas de baja temperatura en la investigación de temas biológicos y ecológicos.
Biopreservation and Biobanking (anteriormente Cell Preservation Technology) es una revista científica trimestral revisada por pares publicada por Mary Ann Liebert, Inc. dedicada al espectro diverso de tecnologías de preservación que incluyen criopreservación , estado seco ( anhidrobiosis ) y mantenimiento hipotérmico y en estado vítreo. . Cell Preservation Technology ha pasado a llamarse Biopreservación y Biobancos y es la revista oficial de la Sociedad Internacional de Repositorios Biológicos y Ambientales.
Problemas de criobiología y criomedicina (anteriormente 'Kriobiologiya' (1985-1990) y 'Problemas de criobiología' (1991-2012)) publicado por el Instituto de Problemas de Criobiología y Criomedicina. La revista cubre todos los temas relacionados con la biología, la medicina y la ingeniería de bajas temperaturas. [22]
