Le réchauffement des cellules après leur cryopréservation présente un certain nombre de défis. Nous allons en explorer quelques-uns ci-dessous.
Lacryopréservation est un concept plutôt cool... littéralement. Elle consiste à préserver les cellules et les tissus en abaissant la température centrale jusqu'à -196°C. Cependant, contrairement à la croyance populaire (et à sa température incroyablement basse), la cryopréservation ne "gèle" pas réellement les cellules. Elle les vitrifie. Grâce aux recherches en cours et aux agents cryoprotecteurs, ce processus peut être réalisé avec un taux de réussite élevé. Le problème réside dans le réchauffement des cellules. Outre l'augmentation des chances de survie globale des cellules, il est important d'optimiser la prévisibilité du comportement et de la viabilité des cellules après le réchauffement. Pour te donner quelques détails sur cet obstacle compliqué, nous allons examiner dans l'article ci-dessous quelques-unes des raisons pour lesquelles il est difficile de réchauffer les cellules après la cryopréservation.
La cryopréservation est un procédé de conservation utilisé dans le domaine scientifique depuis des décennies. Il fonctionne en réduisant la température centrale des cellules à environ -196°C sans formation de glace. Le résultat ? L'activité biologique et le métabolisme sont (pratiquement) suspendus dans le temps et la conservation peut se poursuivre indéfiniment. Les cellules individuelles qui sont cryopréservées (c'est-à-dire les cellules souches, les spermatozoïdes, les cellules embryonnaires) et les patients cryopréservés sont stockés dans de l'azote liquide pour maintenir cette température et cet état de conservation. À l'heure actuelle, les cellules singulières cryopréservées peuvent être réchauffées pour être utilisées, mais pas les patients (nous y reviendrons plus tard). Avant d'aller plus loin, examinons de plus près le fonctionnement de la cryoconservation.
La vitrification est la transformation d'une substance en un état amorphe semblable à du verre. Elle est obtenue en remplaçant les particules de sang et d'eau dans le corps par des agents cryoprotecteurs (ACP), qui sont une sorte d'antigel de qualité médicale contribuant à empêcher la formation de cristaux de glace. Ces ACP entourent également le liquide restant et l'empêchent de former de la glace. La transition vers un état vitrifié se produit à environ -125°C, à quelques degrés près, ce qui correspond au moment où les cellules sont essentiellement "gelées" sur place. C'est ce qu'on appelle communément la température de transition vitreuse.
Indépendamment de la température de congélation, les cellules ne sont pas réellement congelées, carcela implique un certain degré de formation de glace (c'est-à-dire des dommages cellulaires). Au contraire, le mouvement des cellules est ralenti jusqu'à ce qu'elles soient dans un état presque solide et puissent être conservées indéfiniment. Un refroidissement ultérieur (à environ -196°C) est initié pour un stockage à long terme. Pour résumer, la vitrification réduit considérablement les dommages causés par la congélation, ce qui peut contribuer à améliorer la préservation globale du corps (et des cellules individuelles)...
Maintenant que vous avez une compréhension de base du processus de refroidissement, nous pouvons nous plonger dans l'autre côté de l'équation. Pour l'instant, cela ne s'applique qu'aux cellules uniques telles que les cellules souches, les cellules embryonnaires, les spermatozoïdes, les ovocytes, les globules rouges, etc. Les organismes plus complexes (les êtres humains entiers) sont une autre histoire. Pour les besoins de cet article, nous aborderons le processus de réchauffement des organismes unicellulaires.
Réchauffer des cellules uniques après une cryopréservation nécessite une approche totalement différente de celle du refroidissement. Alors que le refroidissement doit se faire lentement, à un rythme contrôlé, le réchauffage doit se faire rapidement. Idéalement, le réchauffage doit commencer dès que possible pour re-stabiliser les cellules et les ramener à des conditions normales.
La première étape du réchauffement des cellules applicables consiste à retirer en toute sécurité (c'est-à-dire avec l'équipement de protection individuelle approprié) les "cryovials" de leur stockage dans des réservoirs d'azote liquide.
Pour éviter les dommages cellulaires et la recristallisation potentielle pendant ce processus, un chauffage rapide est essentiel [1]. Une fois retirées de l'azote liquide, l'étape suivante consiste à réchauffer les cellules en plaçant immédiatement le flacon dans un bain-marie dont la température ne dépasse pas 37°C [3]. Des températures plus élevées peuvent entraîner la mort des cellules, mais des températures trop basses peuvent causer des problèmes de vitesse de réchauffement [1]. D'autres dispositifs sont disponibles et en cours de développement, mais ils ne sont peut-être pas aussi efficaces que les bains-marie.
Plus vite les cellules cryopréservées peuvent être réchauffées, mieux c'est. Dans des situations idéales, les cellules sont réchauffées en moins d'une minute. Si cela n'est pas possible, il est préférable de maintenir les cellules à la température la plus basse jusqu'à ce qu'un réchauffement rapide soit possible, plutôt que de les réchauffer lentement [2].
Les cellules doivent être surveillées après avoir été réchauffées pour vérifier l'absence d'anomalies ou de tout problème survenu lors de la cryopréservation.
Les cellules souches, les embryons, les spermatozoïdes, les globules rouges et les autres tissus qui subissent actuellement des processus de cryopréservation réussis peuvent être vitrifiés, stockés et réchauffés sans trop de dommages si les techniques appropriées sont mises en œuvre assez rapidement. Malheureusement, il y a quelques défis à relever.
L'un des défis du réchauffement après la cryopréservation est la méthodologie. Il existe environ quatre options différentes : le bain d'eau, le réchauffement manuel, le bain de billes ou les appareils spécialisés. Les bains d'eau augmentent le risque de contamination des cellules, le réchauffement manuel est peu pratique et peu efficace, et les bains de billes n'offrent pas un transfert de chaleur aussi efficace que les bains d'eau, tout en présentant un certain risque de contamination. Les appareils dédiés sont souvent la meilleure option, car ils produisent une méthode de réchauffement standardisée qui peut être adaptée, testée et répétée. Cependant, ils restent assez chers et certains appareils ne peuvent réchauffer qu'un seul flacon à la fois, ce qui réduit leur compatibilité pour réchauffer un nombre suffisant de cellules sans les endommager [4].
En fin de compte, le plus grand défi du réchauffement est de maximiser la survie cellulaire et le comportement prévisible des cellules après la ccryopréservation [4]. La cryopréservation présente un risque élevé de mort cellulaire en cas de formation de glace intracellulaire. L'ajout d'agents cryoprotecteurs au milieu de congélation réduit ce risque, mais il réapparaît au cours du processus de réchauffement. Si la cellule passe trop de temps à une température de congélation alors que les cryoprotecteurs sont retirés, la formation de glace peut se produire [5]. C'est pourquoi il est si important d'utiliser des techniques de réchauffement rapide.
Le réchauffement cellulaire est une toute autre histoire si l'on considère le corps humain comme un organisme à part entière. En fait, en raison de la complexité cellulaire qui existe dans le corps, un processus de réchauffement n'existe pas actuellement. Théoriquement parlant, cependant, il s'agit probablement de quelques-uns des défis qu'un scientifique rencontrerait lors du réchauffement d'un patient cryopréservé.
Des cellules différentes nécessitent des températures de réchauffement et des procédures différentes pour éviter les dommages. C'est un sujet que les chercheurs continuent d'explorer. Avec la cryopréservation des patients, ce risque de formation de glace intracellulaire (à l'intérieur) s'étend également intercellulaire (entre). C'est pourquoi l'utilisation d'agents cryoprotecteurs et de techniques de refroidissement pour atteindre un état amorphe semblable au verre est si importante : elle réduit la formation de cristaux de glace, ce qui réduit le risque de dommages. Cependant, lorsque l'on inverse ce processus, les problèmes peuvent réapparaître. Certaines cellules du corps peuvent atteindre les températures optimales avant d'autres, ce qui augmente le risque de formation de glace dans les parties plus froides du corps. D'un point de vue conceptuel, comme les ACP sont éliminés et remplacés par des fluides corporels au cours du processus de réchauffement, certaines zones peuvent se porter bien, mais d'autres peuvent finir par geler.
De plus, certains composés des ACP sont toxiques, de sorte que le réchauffement pourrait être dévastateur pour la viabilité cellulaire globale sans la technologie permettant de réparer les dommages à l'avance. La réparation des dommages cellulaires et la réduction de l'impact d'un réchauffement irrégulier sont quelques-uns des principaux obstacles à la réanimation des patients cryopréservés.
Bien que cette technologie permettant de réchauffer les patients après la cryopréservation n'ait pas encore été mise au point, plusieurs possibilités sont actuellement explorées pour surmonter les difficultés susmentionnées. Deux de ces approches sont les suivantes.
Au cours de ce processus, l'approche proposée consisterait essentiellement à scanner un patient cryopréservé alors qu'il est encore vitrifié et à enregistrer sa structure physique [6]. Cela permettrait de créer une carte du corps, pour ainsi dire, afin de mieux comprendre la disposition de ses cellules et de ses différents systèmes lorsqu'il est encore à l'état solide. Ensuite, lors du réchauffement, cette carte permettrait "d'extraire rapidement toutes les molécules métaboliques et dégradantes et d'établir rapidement une biostase complète à une température plus élevée" [6]. Cela permettrait de résoudre le problème majeur du réchauffement inégal et donnerait aux nanorobots médicaux la possibilité de réparer les dommages subcellulaires et de ramener les cellules à leur structure d'origine (ou mieux) [6].
Une autre technologie proposée qui aiderait au réchauffement d'organismes complexes est la reconstruction moléculaire. Comme les patients cryopréservés sont solides et impénétrables par les nanorobots (ce qui réduit les possibilités de cartographie et de réparation cellulaires), il faut trouver un moyen d'évaluer les dommages et la structure. L'un des moyens d'y parvenir est la mécanosynthèse, c'est-à-dire des réactions chimiques très ciblées, à un seul atome [6]. Cela permettrait aux scientifiques d'analyser un atome à la fois à partir d'un patient cryopréservé afin d'enregistrer son identité et son emplacement précis [6]. Après l'enregistrement de chaque atome, on obtient une carte extrêmement détaillée et précise de la structure physique du patient cryopréservé, mille fois plus détaillée que la carte résultant de la réparation cellulaire conventionnelle [6]. Les scans détaillés permettent de reconstruire le corps du patient après le réchauffement, afin que les nanotechnologies puissent effectuer les réparations nécessaires ou que d'autres technologies puissent être appliquées.
Si la technologie existait, la réanimation pourrait avoir lieu après le balayage du corps en utilisant soit la réparation cellulaire classique, soit la reconstruction moléculaire. Cela pourrait se faire par déconstruction d'atomes individuels ou par une déconstruction plus segmentée.
La déconstruction d'un seul atome démonterait le patient atome par atome, en corrigeant numériquement tout dommage ou problème médical en cours de route [6]. Une fois que chaque atome original est enregistré, il est mis au rebut. Puis, après que tous les atomes ont été enregistrés, corrigés et téléchargés, un corps de remplacement pourrait être fabriqué à l'aide de l'impression 3D cryogénique. Le résultat ? Une copie presque entièrement identique du corps cryopréservé original du patient, mais en mieux [6].
Une autre solution consiste à séparer le corps des patients cryopréservés en morceaux segmentés (plutôt qu'atome par atome) afin que 99,99999 % du corps solide du patient ne soit pas perturbé pendant le traitement des segments isolés [6]. Ce processus de cartographie n'est pas destructif et permet d'effectuer des réparations et des corrections sur le corps cryopréservé original [6].
Comme tu peux le constater, le processus de réchauffement et d'optimisation de la vitalité cellulaire est beaucoup plus confus et théorique que le réchauffement des cellules individuelles. Pour l'instant, en raison de ces difficultés, la cryopréservation est limitée aux applications actuelles. Toutefois, à mesure que la technologie progresse, le réchauffement d'organismes complexes, tels que des organes ou même des patients, se rapproche de la réalité. Si rien de tel n'existe actuellement, qui sait ce qui se passera dans les 10 ou 100 prochaines années.
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[1] Lab Academy. (2020, 11 octobre). Comment décongeler les cellules - Guide pour des résultats de cryoconservation plus reproductibles - Eppendorf. Eppendorf.
[2] Baust, JM et al. Meilleures pratiques pour la cryopréservation, la décongélation, la récupération et l'évaluation des cellules. Biologie cellulaire et développementale in vitro. - Animal 2017.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29098516/
[3]ThermoFisher Scientific. (n.d.). Décongélation des cellules - Gibco® Cell Culture Basics.
[4] Eppendorf. (2021). Normalisation du protocole de décongélation cellulaire - Guide pour des résultats de cryoconservation plus reproductibles. (No. 60).
[5] Bojic, S. (2021, 24 mars). L'hiver arrive : l'avenir de la cryoconservation - BMC Biology. BioMed Central.
https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-021-00976-8
[6] Freitas, R. A., & Fahy, G. M. (2022). Cryostasis Revival : The Recovery of Cryonics Patients through Nanomedicine (Le renouveau de la cryostase : le rétablissement des patients cryogénisés grâce à la nanomédecine) (première édition). Alcor Life Extension Foundation.
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