Chapitre 1 : Comprendre la cryogénie

Il est essentiel d'éviter la formation de cristaux de glace aux températures extrêmes requises pour la cryoconservation. Les cristaux de glace peuvent détruire les membranes cellulaires et endommager l'intégrité du corps. La meilleure façon d'empêcher la formation de glace est d'utiliser des cryoprotecteurs.

Les cryoprotecteurs, les agents cryoprotecteurs ou les CPA sont un type d'antigel de qualité médicale qui est introduit dans le corps par un processus appelé perfusion. Cela permet la vitrification du corps après un refroidissement supplémentaire - un processus clé pour une cryoconservation de haute qualité.

Il est important de trouver le bon équilibre entre les CPA en raison de leurs différents niveaux de toxicité à certaines concentrations. Les cryoniciens affinent constamment le mélange pour permettre la meilleure cryoconservation avec le moins de toxicité possible.

Cet article vous aidera à mieux comprendre ce que sont les cryoprotecteurs et comment ils fonctionnent.

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Pourquoi la congélation est-elle évitée dans la cryogénisation ?

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La congélation de l'eau dans le corps provoque deux types de dommages : mécaniques et chimiques. Les chercheurs en cryogénie ne sont partisans ni de l'un ni de l'autre. Les dommages mécaniques sont la déformation de la structure et de la forme des cellules causée par la formation de cristaux de glace. Ces cristaux de glace sont extrêmement tranchants et peuvent couper les membranes cellulaires et les autres tissus environnants. Nous voulons à tout prix éviter que cela ne se produise pendant la cryoconservation, car cela contribuerait à la mort cellulaire.

Les dommages chimiques, quant à eux, sont causés par l'exclusion de molécules lorsque l'eau gèle. En général, l'eau contenue dans un organisme vivant fait partie d'une solution composée de nombreux types de molécules différents. Lorsque les molécules d'eau gèlent, elles se recherchent et forment une substance pure, repoussant toutes les autres molécules. Il en résulte une forte concentration de solutés nocifs dans l'eau non gelée restante.

Pour éviter cela, on utilise des cryoprotecteurs qui, à leur tour, permettent la vitrification lors de la cryoconservation. La vitrification est la transformation d'une substance en un état amorphe semblable à du verre ; cela se produit à environ -130°C, la température dite de transition vitreuse. Les cryoprotecteurs maintiennent les molécules en place jusqu'à ce que la vitrification se produise, ce qui augmente considérablement la survie des cellules par rapport à la congélation.

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Qu'est-ce qu'un cryoprotecteur ?

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Les cryoprotecteurs se comportent de la même manière que les produits chimiques antigel, comme ceux que vous ajoutez à votre voiture lorsque la température extérieure descend en dessous de zéro. Ils se dissolvent dans l'eau et contribuent à abaisser son point de congélation. Cependant, les CPA sont une variété spécialisée de ces produits chimiques de qualité médicale.

Les CPA les plus utilisés sont le glycérol, l'éthylène glycol, le propylène glycol et le diméthylsulfoxyde (DMSO). Parmi ces ACP, il existe deux classes principales de cryoprotecteurs :

• ACP pénétrants qui empêchent la formation de glace à l'intérieur des cellules, en pénétrant la paroi cellulaire.
• ACP non pénétrants qui empêchent la formation de glace à l'extérieur des cellules.

Les CPA pénétrants sont régulièrement utilisés avec des CPA non pénétrants car la glace se forme plus facilement en extracellulaire qu'en intracellulaire. En présence de CPA non pénétrants, les CPA pénétrants n'ont pas besoin d'être aussi concentrés. Ceci est crucial pour une cryoconservation de haute qualité car plus la concentration de CPA pénétrants est élevée, plus la solution est toxique.

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La toxicité des cryoprotecteurs

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Les molécules d'eau à l'intérieur du corps doivent être remplacées par des molécules cryoprotectrices pour que la vitrification soit réussie. Cependant, à des concentrations plus élevées, les CPA deviennent de plus en plus toxiques.

Le niveau de toxicité des CPA varie en fonction de la température. Pour réduire la toxicité pendant la perfusion, les concentrations de CPA sont augmentées à un rythme lent, tandis que les températures dans le corps sont abaissées. En effet, les CPA administrés à des températures proches du point de congélation ont un niveau de toxicité beaucoup plus faible que les mêmes produits chimiques administrés à des températures plus chaudes.

Les cryoprotecteurs ne sont pas toxiques à des températures cryogéniques. Ils ne deviennent toxiques qu'au moment du réchauffement. Cela signifie que lors d'une éventuelle réanimation, les CPA devront être retirés extrêmement rapidement pour éviter la mort des cellules. Cela pose un problème auquel la technologie médicale future devra trouver une solution. Au vu des progrès médicaux actuels, nous sommes optimistes et pensons que la technologie future pourrait trouver un moyen de surmonter ces défis et de permettre la réanimation à partir de la biostase.

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Alors, que peut-on faire ?

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Les scientifiques sont conscients des limites des agents cryoprotecteurs et travaillent activement à contrecarrer, minimiser et finalement supprimer leur toxicité. À l'heure actuelle, il existe quelques solutions pour réduire la toxicité de l'ACP :

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Combiner les cryoprotecteurs pour réduire la toxicité

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Les recherches ont montré que les différents ACP ont des niveaux de toxicité différents, en fonction de la situation dans laquelle ils sont utilisés. Nous savons qu'il existe certaines combinaisons d'ACP qui réduisent la toxicité globale.

Les scientifiques étudient actuellement les combinaisons optimales d'ACP.

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Refroidissement rapide pour éviter la toxicité

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Les scientifiques tentent de trouver des méthodes de refroidissement alternatives pour la cryoconservation. L'une d 'entre elles consiste à utiliser des gaz froids pour refroidir les organes animaux en vue de leur cryoconservation sans vitrification. Les résultats ont montré que l'hélium froid a permis de refroidir un rein de porc jusqu'à -180°C sans fracture et ont suggéré que l'utilisation d'une pression de 20 atmosphères pourrait permettre des vitesses de refroidissement beaucoup plus rapides.

Des taux de refroidissement aussi rapides que celui-ci pourraient réduire le temps d'exposition des CPA. La toxicité s'en trouverait donc réduite, pour autant que des dommages tels que le choc froid puissent être évités.

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Inverser la toxicité du CPA

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Certains CPA libèrent des substances chimiques qui peuvent entraîner la mort cellulaire. En introduisant des inhibiteurs dans les cellules chauffées, ce phénomène peut être évité. En outre, la toxicité de certains CPA peut être inversée par des modifications de l'expression génétique (obtenues grâce aux nanotechnologies).

L'espoir est qu'au fur et à mesure que notre compréhension de la toxicité des cryoprotecteurs s'améliore, nous serons en mesure de contrer leurs effets plus efficacement.

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Conclusion

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Les cryoprotecteurs, bien que toxiques à certaines concentrations, jouent un rôle crucial dans la cryoconservation de tous les matériaux biologiques, qu'il s'agisse de tissus, de sperme, d'ovules, d'organes ou d'êtres humains. Les organisations cryoniques l'ont également compris. C'est pourquoi les scientifiques impliqués dans la recherche sur la biostase étudient constamment les moyens d'améliorer les méthodes actuelles. L'un de nos objectifs de R&D chez Tomorrow.bio est de découvrir de meilleurs mélanges de CPA, moins toxiques. Nous sommes l'organisation de cryogénisation qui connaît la croissance la plus rapide en Europe, et faire progresser la recherche sur la biostase est l'un de nos principaux objectifs.

Au fur et à mesure que notre connaissance du comportement des cryoprotecteurs augmentera, nous serons en mesure de comprendre et d'éliminer les effets néfastes qu'ils ont sur l'organisme. Une fois que les chercheurs auront compris cela, le renouveau après cryoconservation deviendra beaucoup plus probable.

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