Живая материя при низких и сверхнизких температурах

Что происходит с клетками и тканями при глубоком охлаждении?
Как нетеплокровные животные переживают полярные морозы?
Как сохраняют клетки и ткани человека?
Криодеструкция в медицине
Человеческий организм в состоянии глубокой гипотермии
Температура тела и скорость старения
Крионика с точки зрения криобиологии
Содержание лекции:

Что происходит с клетками и тканями при глубоком охлаждении?
На уровне молекул
Денатурация белков (холодовая и химическая)
На уровне клеток
Разрыв мембран
На уровне тканей
Повреждение межклеточного матрикса
Микро- и макротрещины

Денатурация белков
Тепловая
Барическая
Радиационная
…
Холодовая
Химическая

У них тепловая денатурация наступает уже при +6°С
◄ «Снежная блоха» - ногохвостка Hypogastrura nivicola
Гололобая антарктическая нототения Notothenia neglecta ►

Строение клеточной мембраны

Фазовый переход в мембране

Разрыв клеточных мембран кристаллами льда

Как нетеплокровные животные переживают полярные морозы?
Сибирский углозуб Salamandrella keyserlingii

Замерзающая лягушка
Rana sylvatica

Механизм действия криопротекторов

Некоторые криопротекторы
Глицерин, этиленгликоль, пропиленгликоль
ДМСО, ДЭСО
этанол, метанол
формамид, метилформамид
пропандиол
…
трегалоза, сахароза
полиэтиленгликоль
фиколл
…

Витрификация
2 литра раствора М22 в состоянии витрификации
при Т=-124.4оС

Криоконсервация клеток и тканей человека и др. млекопитающих

В настоящее время сохраняются:
сперма
кровь
стволовые клетки
эмбрионы
роговица
кожа
и др.

Обратимая витрификация почки кролика

Продемонстрировано обратимое замораживание целой печени
Израильские учёные разработали методику, позволяющую целиком обратимо замораживать крупные органы со сложной внутренней структурой. Технология была проверена на крысиной и свиной печени. После разморозки органы сохраняли более 80% жизнеспособности.
Ранее эта же группа продемонстрировала обратимое сохранение овечьего яичника, крысиных сердца и печени.

Перспективные, но
неапробированные методы
Использование высоких давлений
в комбинации с адиабатическим охлаждением
Использование ультразвука
Использование СВЧ – полей
Использование сверхсильных
магнитных полей
Использование инертных газов
в качестве криопротекторов

Криодеструкция в медицине
Результат криодеструкции гемангиомы у ребёнка
(фото с сайта Медицинского Центра
онкологии и детской онкологии, СПб)

Криодеструкция очага опухоли в печени собаки

ВКМ-каркасы органов крысы
◄ Печень (в одну из долей введён краситель; видна сеть кровеносных сосудов)
Лёгкие ►

Организм человека и др. млеко-питающих в глубокой гипотермии
Роберт Бойль
(1627-1691)
Порфирий Бахметьев
(1860-1913)

Эксперименты по глубокой гипотермии крысы

Стадии гипотермии человека
Начальная гипотермия* (34-32°C)
Средняя гипотермия* (31-28°C; необходима при выключении сердца сроком до 10 минут)
Промежуточная степень гипотермии (27-20°C; практически не используется)
Глубокая гипотермия (19-8°C; применяют при необходимости выключения сердца на 60-120 минут и более)
_________________________
* Эти две стадии часто объединяют термином «умеренная гипотермия»

Температура тела и скорость старения у пойкилотермных животных
Зависимость скорости процессов метаболизма от температуры:
- Уравнение Аррениуса
- Правило Вант-Гоффа
У пойкилотермных животных (насекомые, рыбы и
т. д.) снижение температуры ведёт к увеличению продолжительности жизни (и к замедлению развития).

Температура тела и скорость старения у гетеротермных животных
У гетеротермных животных снижение температуры приводит к снижению интенсивности метаболических процессов и росту ПЖ. Причем в определенных пределах рост ПЖ тем больше, чем ниже температура и продолжительнее торпор или гибернация, а животные, лишенные такой возможности, живут меньше. Так, если ПЖ обычной мыши не превышает 3-4 лет, то виды из этого же надсемейства, впадающие в спячку, могут дожить до 8 и более лет. Виды, впадающие в состояние ежедневного торпора и в зимнюю спячку, живут еще больше, например летучая мышь - до 18 лет.
В некоторых экспериментах снижение t° на 0.3-0.5° приводило к увеличению ПЖ на 12-20%.

Температура тела и скорость старения у гомойотермных животных
Эпидемиологические и экспериментальные данные убедительно показывают, что смертность у старых гетеротермных животных при экстремальных температурных изменениях резко возрастает.
Известно, что у некоторых племен австралийских аборигенов, живущих в высокогорье, во время сна температура тела может снижаться до 33-35°C. Аналогичные сдвиги наблюдаются у корейских ныряльщиков из племени ама. Однако данные о повышенной ПЖ этих и других подобных групп людей отсутствуют.
В то же время, ряд повышающих ПЖ воздействий сопровождается некоторым снижением температуры тела.

Крионика с точки зрения криобиологии
Роберт Эттингер
1918-2011

Аспекты крионики:
Философский
Этический
Правовой
Финансовый
Организационный
Технический
Религиозный
Демографический
Исторический
…
Естественнонаучный

Исходное предположение:
Личность человека представляет из себя некоторый объём информации, материальным носителем которой является головной мозг.

Основная идея:
Впереди у человечества неограничено много времени для прогресса. Рано или поздно будет достигнуто всё, что в принципе возможно.
На сегодняшний день мы не знаем фундаментального принципа, который запрещал бы восстановление личности по сохранённой конфигурации нейронных сетей.
Отсюда задача: сохранить эту конфигурацию до времён, когда такое восстановление станет возможно – или будет доказано, что это невозможно.

Этапы крионического процесса:
Подготовительный (прижизненный)
Подготовительный (посмертный)
Замораживание
Хранение
Восстановление

Этап 2: посмертная подготовка:
2.1. Охлаждение (особенно, головного мозга)
2.2. Введение гепарина, тромболитиков, антиоксидантов, мембранопротекторов, ингибиторов апоптоза, хелаторов, антибиотиков и др.
2.3. Перфузия раствором криопротектора

Повреждения на этапах 2- 4:
Разрушение нейронов вследствии аутолиза, апоптоза и др.
Осмотический шок
Токсичность криопротектора
Холодовая денатурация белков
Повреждения кристаллами льда

Сохранение нейронов после остановки кровообращения
М. К. Недзведь, С. В. Шелег и др., Морфологические изменения коры головного мозга человека при длительной аноксии – Здравоохранение, 7/2003 (Минск)

Возможно ли в принципе обратимо и надолго заморозить человека (или другое крупное млекопитающее)?
- Вероятно …
Возможно ли сделать это сейчас так, чтобы реанимировать его с помощью технологий обозримого будущего?
- Не исключено …
Возможно ли будет реанимировать человека, замороженного с применением реальных сегодняшних процедур?
- Есть надежда!
Три ключевых вопроса:

Что следует из неопределённости:
Гарантий, конечно, нет – но попробовать стоит

Презентацию можно посмотреть здесь:
https://docs.google.com/leaf?id=1tXC5g2xQV9YjPrsho_FOg_YVM2WDoenoxUdhi5Onv8k