Esplora le attuali applicazioni della criopreservazione.
E se si potesse scegliere quanto a lungo vivere? L’obbiettivo della criopreservazione umana è quello di preservare i pazienti per il futuro. Fornendogli una possibilità di essere riportati in vita una volta che la tecnologia medica sarà avanzata abbastanza per curarli. Per una comprensione più profonda del processo coinvolto, questo articolo definirà che cos’è la criopreservazione e com’è correntemente applicata.
La criopreservazione è il processo di preservare cellule, tessuti ed altri materiali biologici abbassandone le temperature interne a livelli sotto il punto di congelamento (comunemente a -196°C) senza la formazione di ghiaccio. Ciò riduce il tasso metabolico al punto in cui l’attività biologica è messa completamente in pausa. Il refrigerante più comune utilizzato per la criopreservazione è l’azoto liquido, che ha una naturale temperatura di ebollizione a -196°C. Gli agenti crioprotettivi e di vetrificazione permettono alle cellule di essere conservate potenzialmente per sempre.
Gli agenti crioprotettivi (CPA) sono un tipo di antigelo per uso medico che aiuta a ridurre la formazione di cristalli di ghiaccio. La vetrificazione è la trasformazione di una sostanza in uno stato amorfo simile al vetro. Ciò avviene quando le cellule superano la temperatura di transizione del vetro, ad esempio -125°C, dove sono solide ma non congelate. Questa è una delle fasi finali della procedura di criopreservazione . È il punto in cui tutti i processi biologici si arrestano, consentendo alle cellule di essere conservate a tempo indeterminato senza decadimento o danni.
Sebbene la ricerca medica sia in costante progresso, non è ancora possibile rianimare un essere umano dopo che è stato criopreservato. Tuttavia, ci sono numerose cellule e tessuti che sono stati criogenizzati e riscaldati con successo. Tra questi vi sono i embrioni umani, il seme, le uova, la pelle, le ossa, i globuli rossi e bianchi, il midollo osseo e altro ancora. Un intero rene di coniglio è stato addirittura vetrificato, criopreservato, riscaldato nuovamente e trapiantato in un coniglio, dove ha dimostrato un pieno recupero funzionale. Vediamo di seguito altre applicazioni attuali della criopreservazione .
La prima conservazione di successo di cellule di mammifero è avvenuta per caso nel 1949, quando Christopher Polge e i suoi colleghi (Smith e Parks) stavano studiando l'effetto del glicerolo sulla mobilità dello sperma di gallo. Polge utilizzava l'azoto liquido per congelare i campioni di controllo nel suo laboratorio, ma un giorno aggiunse accidentalmente l'azoto liquido a un campione di sperma che conteneva glicerolo. Quando riscaldò nuovamente il campione, notò che lo sperma del gallo riacquistava mobilità, scoprendo così che gli spermatozoi potevano essere criopreservati senza morte cellulare.
Il fatto ha scatenato numerosi articoli scientifici a proposito della criopreservazione dello sperma, che alla fine hanno portato alle tecniche utilizzate oggi per la banca dello sperma o per il congelamento dello sperma. Il seme può essere conservato criogenicamente a tempo indeterminato e utilizzato per la donazione di sperma. Una volta riscaldati, gli spermatozoi riacquistano vitalità e motilità.
La criopreservazione dello sperma ha un'ampia gamma di applicazioni, ma è più comunemente usata per aiutare un individuo (o una coppia) a concepire un bambino. Ciò include applicazioni per le donne senza un partner maschile o per le coppie che soffrono di infertilità maschile.
L'anno successivo, nel 1950, Smith estese le scoperte sulla criopreservazione dello sperma per esaminare l'effetto della vetrificazione sui globuli rossi in glicerolo. Scoprì che nel sangue umano e di coniglio diluito con una soluzione di glicerolo, i globuli rossi non subivano la rottura solitamente causata dal congelamento e dallo scongelamento. Questa ricerca lo portò a criopreservare con successo i globuli rossi umani.
Questo studio fu ampliato nel 1951, quando Sloviter scoprì che i globuli rossi di coniglio recuperati dopo un lungo periodo di conservazione sopravvivevano e venivano reintrodotti con successo in circolazione. Dopo ulteriori ricerche, Sloviter scoprì che i globuli rossi umani criopreservati e riscaldati con glicerolo potevano essere utilizzati per le trasfusioni.
La criopreservazione di globuli rossi ha continuato a evolversi nel tempo e oggi viene utilizzata per molti scopi nella comunità medica. Oggi è una pratica comune che consente di conservare i gruppi sanguigni rari dei donatori per i pazienti che ne avranno bisogno in futuro. Attualmente, le unità di globuli rossi che sono state criopreservate possono durare 30 anni o più.
Nel 1952, ricercatori e scienziati fecero una scoperta sul sito criopreservazione delle cellule germinali degli ovociti. Chang e i suoi colleghi iniziarono a studiare l'effetto della bassa temperatura sulla sopravvivenza di un ovocita di mammifero (coniglio). Studi simili continuarono a testare la vitalità degli ovociti dopo il riscaldamento e scoprirono che la sospensione delle cellule germinali in una miscela di glicerolo e la loro crioconservazione portavano a gravidanze di successo.
La ricerca è rallentata per quanto riguarda gli ovociti criopreservazione fino alla fine degli anni '70, quando sono stati prodotti i primi topi da ovociti criopreservato e riscaldati. Sebbene gli ovociti di mammifero siano più suscettibili di essere danneggiati durante criopreservazione, Steponkus e Mazur hanno infine riscontrato un successo con tassi di raffreddamento estremamente rapidi [3]. La prima gravidanza umana riuscita in seguito a un ovocita criopreservazione si è verificata nel 1986.
Oggi, gli ovociti criopreservazione sono comunemente utilizzati per la fecondazione in vitro (FIV). Le donne possono congelare i propri ovuli per posticipare la gravidanza per diversi motivi. Se decidono di non utilizzarli in futuro, hanno la possibilità di donarli ad altri.
In seguito alla creazione di criopreservazione di singoli spermatozoi e ovociti, è iniziata la ricerca sugli embrioni. Il primo embrione di mammifero a essere stato criopreservato con successo è stato quello di un topo nel 1972. Durante la loro ricerca, Leibo e Mazur studiarono l'effetto della lentezza del raffreddamento sulla formazione di ghiaccio all'interno delle cellule embrionali. Hanno scoperto che"per poter crioconservare con successo gli embrioni a temperature più basse, gli embrioni devono essere congelati a velocità sufficientemente basse da permettere all'acqua di uscire dalla cellula prima di cristallizzarsi in ghiaccio" [1].
Un anno dopo, gli embrioni di criopreservato furono utilizzati per produrre Frostie. Frostie era un vitello nato nel 1973 da un embrione criopreservato riscaldato e impiantato in una mucca surrogata. Questa scoperta ha accelerato lo sviluppo delle tecniche utilizzate oggi per la fecondazione in vitro.
Più tardi, nel 1983, il primo embrione umano di successo è stato criopreservato. Anche se questo embrione non è sopravvissuto fino alla nascita, questa è avvenuta rapidamente. Nel marzo 1984, Zoe Leyland nacque in Australia da un embrione che era stato criopreservato, riscaldato e impiantato.
Dalla metà degli anni '80, l'embrione criopreservazione è una componente importante delle tecniche di riproduzione assistita umana. L'criopreservazione di embrioni comporta la conservazione di un embrione (di solito allo stadio corrispondente al pre-impianto) a temperature inferiori allo zero. È una pratica comune nei trattamenti di fertilità come la fecondazione in vitro. Se una coppia rimane incinta, gli embrioni avanzati che sono stati criopreservato possono essere donati ad altri. Non è stato dimostrato che la crioconservazione aumenti il tasso di difetti alla nascita o porti ad anomalie nello sviluppo.
Un altro uso interessante dell'embrione criopreservazione avviene nell'industria zootecnica. Viene utilizzato per migliorare gli sforzi di conservazione. Solo nel 2005 sono stati trasferiti in tutto il mondo oltre 370.000 embrioni bovini scongelati e congelati. Tuttavia, la prole viva è stata prodotta solo in alcune specie, in particolare conigli, bovini, felini (gatti), primati e ungulati (mammiferi ungulati come i cervi).
Le cellule staminali sono cellule non specializzate che non hanno ancora sviluppato una funzione specifica. Possono diventare cellule cerebrali, cellule ossee, cellule del sangue, cellule cardiache, ecc. Grazie a questa diversificazione, le cellule staminali possono essere utilizzate per trattare un'ampia gamma di malattie. Il sitocriopreservazione delle cellule staminali prevede la raccolta delle cellule del donatore, l'aggiunta di agenti crioprotettivi, il rapido raffreddamento delle cellule, la valutazione della vitalità dopo 72 ore, il riscaldamento delle cellule, il lavaggio e il condizionamento per il trapianto. Possono essere utilizzate per il trattamento di malattie maligne e non maligne.
Esistono diversi metodi criopreservazione utilizzati per le cellule staminali, molti dei quali variano per quanto riguarda la temperatura di congelamento, la velocità, i CPA e i fattori di riscaldo. Tuttavia, le cellule staminali sono state sottoposte a criopreservazione per anni, poiché si tratta di un elemento chiave per il successo delle terapie basate sulle cellule.
Il sito criopreservazione è stato oggetto di continui studi fin dalla sua nascita negli anni '60. Uno dei primi studi degni di nota sulla crioconservazione degli organi è stato condotto in Giappone, quando Isamu Suda e colleghi hanno perfuso un cervello di gatto con una soluzione di glicerolo, lo hanno raffreddato a -20°C per oltre sei mesi e poi lo hanno riscaldato. Dopo l'esame, hanno trovato onde cerebrali riconoscibili: uno sviluppo entusiasmante per crionica!
Studi più sistematici relativi a criopreservazione organi sono iniziati negli anni '80 e '90, quando il criobiologo Gregory M. Fahy e i suoi colleghi hanno iniziato a esplorare il processo di solidificazione senza formazione di ghiaccio per la conservazione degli organi. Le sue scoperte, pubblicate nel 2003 e nel 2006, lo hanno reso il più grande esperto al mondo di criopreservazione organi mediante vitrificazione.
Fin dai primi giorni della ricerca sulla vitrificazione, il Dr. Fahy e i suoi colleghi hanno cercato di saperne di più sulla tossicità dei crioprotettori e su come mitigarla utilizzando soluzioni di vitrificazione. Nel 2005, la sua ricerca è culminata nella "vitrificazione (a -135°C), il riscaldamento e il trapianto di un rene di coniglio con buona vitalità e funzionalità" [2].
Questa ricerca ha dato il via a numerosi altri studi nel campo di crionica. In particolare, i risultati ottenuti da Robert McIntyre e dal suo team nel 2016. La loro ricerca ha portato alla prima conservazione criogenica di un intero cervello di mammifero e al suo recupero in condizioni "quasi perfette". Dopo averlo riscaldato delicatamente e aver eliminato i CPA, si è scoperto che le membrane cellulari, le sinapsi e le strutture intracellulari erano rimaste intatte [5].
Il processo di crioconservazione degli organi potrebbe avere un impatto sostanziale sulla comunità dei trapianti. Ad esempio, come si legge su PNAS, "gliattuali strumenti di criopreservazione vengono già applicati per aiutare a rianimare gli organi danneggiati... e ad allungare il periodo di tempo in cui un organo trapiantato può essere conservato" [4]. La scoperta di un metodo per la a lungo termine banca degli organi attraverso criopreservazione potrebbe estendere ulteriormente il tempo in cui gli organi possono essere mantenuti prima del trapianto o dell'intervento chirurgico e salvare migliaia di vite.
Sebbene siano stati registrati casi di successo nella crioconservazione e nel riscaldamento di organi animali, ci sono ancora sfide (come la tossicità) che devono essere affrontate prima dell'uso umano.
Attualmente esistono oltre 85 animali domestici criopreservato, tra cui cani, gatti, tartarughe, criceti, pappagalli, una tartaruga, un cincillà e persino una scimmia. Il processo è simile a quello di criopreservazione delle cellule, ma su scala più ampia. Con la vitrificazione, il corpo dell'animale viene raffreddato fino a raggiungere uno stato amorfo simile al vetro. A questo punto, gli animali possono essere messi in un dewar e conservati a tempo indeterminato.
La differenza principale tra gli animali domestici (e umani) criopreservazione, rispetto alle applicazioni precedenti, è che la tecnologia per riscaldarli non esiste ancora. I ricercatori non garantiscono nulla e non sanno se funzionerà, ma la crioconservazione degli animali domestici non è qualcosa che manca di fondamento. Inoltre, non ci sono prove scientifiche che dimostrino che non esisteranno mai tecnologie e trattamenti in grado di riscaldare gli animali domestici, di curare le loro malattie o di invertire l'invecchiamento.
La stessa mentalità si applica all'uomo criopreservazione. Gli agenti crioprotettori vengono introdotti nell'organismo per perfusione attraverso il sistema circolatorio. Questi CPA sostituiscono l'acqua presente nel corpo e riducono il punto di congelamento del liquido rimanente, minimizzando la formazione di cristalli di ghiaccio. Una volta che la vitrificazione avviene e il paziente si trova in uno stato amorfo simile al vetro, tutti i processi biologici vengono messi in pausa, consentendo la conservazione senza decadimento o danni.
Come per le cellule, la combinazione di agenti crioprotettivi e vitrificazione consente di conservare i pazienti a tempo indeterminato. Esistono alcune limitazioni per l'uomo criopreservazione, ma - a titolo di esempio - diversi ricercatori di criopreservazione (tra cui noi) stanno attualmente lavorando a un sistema che consentirebbe di conservare i pazienti a temperature più elevate (meno stress termico).
Attualmente gli scienziati possono crioconservare i pazienti, ma non esiste una tecnologia per riscaldarli. Tuttavia, James Bedford è stato la prima persona a essere criopreservato nel 1967 ed è stato conservato presso Alcor dal 1991. Oggi ci sono circa 500 pazienti criopreservato con età che vanno dai 2 ai 101 anni. Anche se rianimazione non è ancora possibile, il processo di conservazione permette di conservarli a tempo indeterminato.
Oggi criopreservazione viene utilizzato prevalentemente per la conservazione delle cellule, ma la ricerca scientifica, tecnologica e medica continua a progredire. Sebbene la tecnologia per rianimare un essere umano dopo essere stato criopreservato non sia ancora stata sviluppata, non c'è alcuna ragione biologica fondamentale per cui rianimazione non possa essere possibile.
Poiché criopreservazione sospende l'attività biologica, è necessaria una forza esterna per riattivarla e rianimare i pazienti. Una delle maggiori limitazioni di criopreservazione oggi è che questo tipo di tecnologia non esiste ancora. Anche la tecnologia per riscaldare i tessuti in modo omogeneo o per trattare l'invecchiamento e le malattie non esiste ancora. Ma questo non vuol dire che non esisterà mai. I progressi delle nanotecnologie e del nanoriscaldamento potrebbero aiutarci in questo senso.
Il mondo ha fatto molta strada in 100 anni e le attuali applicazioni di criopreservazione nella scienza e nella medicina dimostrano che la tecnologia continua a progredire. Pensateci: attualmente non ci sono prove che indichino che crionica non funzionerà in futuro. Solo perché qualcuno non può essere salvato oggi, non significa che non potrà mai essere salvato. Quindi, prendete in considerazione la possibilità di cambiare la vostra mentalità: alcune malattie non sono semplicemente curabili... ancora.
Un'altra sfida è rappresentata dal fatto che la vitrificazione può risultare tossica per i tessuti complessi, soprattutto per quanto riguarda gli organi. Gli agenti crioprotettivi utilizzati sono spesso una combinazione di soluzioni penetranti e non penetranti. I CPA penetranti impediscono la formazione di cristalli di ghiaccio all'interno delle cellule, mentre i CPA non penetranti impediscono la formazione di cristalli di ghiaccio all'esterno delle cellule. Il problema è che più alta è la concentrazione di CPA, più tossica è la soluzione. In alternativa, se la concentrazione di CPA è troppo bassa, non è possibile ottenere la vetrificazione completa degli organi.
Il superamento di questa sfida è un fattore importante per i continui progressi di criopreservazione e per il successo di rianimazione.
Da decenni gli scienziati riescono a crioconservare e a riscaldare parti del corpo, ma al momento non è ancora possibile rianimazione salvare i pazienti. Anche se non siamo in grado di prevedere con esattezza quando rianimazione potrebbe essere possibile, i pazienti rimarranno criopreservato per tutto il tempo necessario. Che si tratti di 10, 50, 100 anni o più, non c'è un limite di tempo per il quale una persona possa rimanere criopreservato.
Nessuno sa cosa accadrà in futuro, ma quello che sappiamo è che potete essere criopreservato oggi. La crionica è attualmente l'unica tecnologia che potrebbe portarvi in quel futuro, quindi cosa avete da perdere? Prenotate una consulenza con uno dei membri del nostro team o se siete pronti... iscrivetevi subito!
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[1] Schnebly, R. A. (2020, 1 ottobre). Enciclopedia del Progetto Embrione. "Survival of Mouse Embryos Frozen to -196 ° and -269 °C" (1972), di David Whittingham, Stanley Leibo e Peter Mazur | The Embryo Project Encyclopedia. Recuperato il 20 luglio 2022, da https://embryo.asu.edu/pages/survival-mouse-embryos-frozen-196-deg-and-269-degc-1972-david-whittingham-stanley-leibo-and.
[2] de Wolf, A., & Platt, C. (2022, 23 maggio). Procedure di crioconservazione umana. | Alcor. Recuperato il 20 luglio 2022, da https://www.alcor.org/docs/criopreservazione -procedures-book .pdf
[3] Borini, A., & Coticchio, G. (2010). Conservazione degli ovociti umani. CRC Press. Recuperato il 20 luglio 2022, da https://thaisrm.com/docs/Ri%20Chian%20Book/Preservation%20of%20Human%20Oocytes%20-%20From%20Cryobiology%20Science%20to%20Clinical%20Applications%20copy.pdf.
[4] Scudellari, M. (2017, 12 dicembre). La crioconservazione mira a progettare nuovi modi per congelare, conservare e scongelare gli organi. PNAS. Recuperato il 20 luglio 2022, da https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1717588114.
[5] Crew, B. (2016, 10 febbraio). Il cervello di un mammifero è stato congelato criogenicamente e recuperato per la prima volta. ScienceAlert. Recuperato il 20 luglio 2022, da https://www.sciencealert.com/a-mammal-s-brain-has-been-cryonically-frozen-and-recovered-for-the-first-time.
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