13.11.2024

Ученые улучшили технологию заморозки клеток человека для их хранения

Ученые МГУ предложили метод стабилизации мембраны клеток человека холестерином для повышения их выживаемости при криоконсервации.  Процедура криоконсервации часто используется в биологии и медицине для сохранения клеток и тканей. Однако процесс заморозки-разморозки может привести к гибели более 50% клеток. Исследователи установили, что для увеличения концентрации холестерина в мембранах клеток и, как следствие, повышения эффективности криоконсервации, можно использовать продукты самосборки анионных карбоксиметил циклодекстринов на поверхности катионных липосом, формирующие наноконтейнеры с высокой ёмкостью по холестерину. Разработка позволит усовершенствовать технологию криоконсервации клеток.

Криоконсервация биоматериала расширяет возможности современной биологии и медицины, позволяя сохранять генетический материал, способствует созданию криобанков и является неотъемлемой частью вспомогательных репродуктивных технологий. В процессе заморозки-разморозки клеток в результате образования кристаллов льда, а также осмотического шока мембраны сперматозоидов могут повреждаться, что приводит к потере жизнеспособности клеток. Так, подвижность и морфологические показатели сперматозоидов могут ухудшаться на 30–70% после криоконсервации. Для снижения негативных воздействий криоконсервации используют криопротекторные среды с проникающими в клетку компонентами, как глицерин, и не проникающими компонентами, как дисахариды – трегалоза и сахароза. Однако наиболее эффективным методом, сохраняющим жизнеспособность клеток, является стабилизация мембраны путем повышения в ней концентрации холестерина.

Доцент кафедры биофизики физического факультета МГУ Екатерина Симоненко рассказывает: «Одна из самых актуальных и сложных задач для нас – придумать эффективный способ доставки молекул холестерина в мембраны клеток, который можно было бы использовать в рутинных методах криоконсервации. В нашей научной группе предложили использовать олигосахариды – циклодекстрины – в качестве такого "доставщика" холестерина к мембранам клеток и добавить их как компоненты в криопротекторные среды для повышения выживаемости клеток при криоконсервации. В ходе работы мы установили, что включение молекул холестерина в производные бета-циклодекстринов позволяет создавать криопротекторные среды, обогащающие клеточные мембраны холестерином и повышающие их устойчивость к осмотическому шоку».

Доцент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ Андрей Сыбачин дополняет: «Мы, в свою очередь, задались вопросом, как организовать взаимодействие комплексов циклодекстрин-холестерин с клеточной мембраной с максимальной эффективностью. Для этого мы создали биосовместимый наноконтейнер на основе катионной липосомы, поверхность которой покрыта молекулами карбоксиметил бета-циклодекстрина. Оказалось, что такой наноконтейнер способен транспортировать гидрофобные соединения, в том числе и холестерин, в количествах на порядок превышающих ёмкость традиционных липосомальных наноконтейнеров».

Учёные химического и физического факультетов МГУ совместно установили, что молекулы карбоксиметил циклодекстринов адсорбируются на липидные мембраны не по одиночке, а формируя надмолекулярные структуры. Визуализацию таких структур удалось получить используя комбинацию методов Лэнгмюр-Блоджетт и атомно-силовой микроскопии. Были получены липидные монослои, к которым добавляли различные количества циклодекстринов, а затем полученные комплексы переносили на подложку и анализировали их морфологию. Удалось установить, что при любом соотношении липидов к циклодекстринами олигосахариды имеют тенденцию формировать многоуровневые структуры. При этом на один катионный липид может приходиться до 10 молекул циклодекстринов. Данный результат весьма важен для создания наноконтейнеров для доставки гидрофобных соединений. Обычно для липосомальных наноконтейнеров доля включенных водонерастворимых биологических веществ не превышает 10%. Поскольку молекулы бета циклодекстрина обычно способны инкапсулировать от 0.5 до 1 молекулы гидрофобного соединения, содержащего ароматический фрагмент, то ёмкость комплексного наноконтейнера по таким соединениям по сравнению с единичной липосомой возрастает более чем на порядок. Этот результат интересен сам по себе, но для обогащения мембраны сперматозоидов холестерином, он является принципиальным. Использование липосом для повышения доли холестерина в клетках бесперспективно, поскольку вместе с целевым холестерином в мембрану вводятся и липиды, формирующие липосому. Комплекс олигосахаридов с катионной липосомой способен не только привнести значительное количество молекул холестерина в мембрану, но и за счёт своего заряда обеспечить более эффективную адсорбцию наноконтейнера на поверхность клеток.

Дальнейшими планам исследования поделился студент физического факультета МГУ Илья  Григорян: «Сейчас ведётся работа по оптимизации состава наноконтейнера, подбора подходящего состава липидов, размера липосом, а также общего заряда. Помимо этого, также будет проверена гипотеза о возможном влиянии комплексного наноконтейнера на снижение образования кристаллов льда при криозаморозке сперматозоидов».