Исследование указывает на физическую причину гибели клеток при сухой консервации
Новые данные экспериментов по сухой консервации живых клеток — потенциально революционной альтернативе криоконсервации — определили чёткий предел, после которого дальнейшее обезвоживание убивает клетки. Эти данные, объединённые с молекулярно-динамическим моделированием, проливают свет на важный технологический фактор, ограничивающий современные попытки сухого сохранения.
Результаты, опубликованные 8 июля в Scientific Reports, анализируют изменения в молекулярной структуре трегалозы (сахара) и молекул воды в ходе типичного процесса дегидратации, используемого для иммобилизации клеток в стабильном стекле трегалозы для долгосрочного хранения.
Сухая консервация клеток потенциально может быть более экономичной и удобной для транспортировки, чем криоконсервация, так как позволяет хранить материал при нормальной температуре окружающей среды.
Исследуемый метод включает суспендирование клеток в разбавленном растворе трегалозы с последующим удалением воды с помощью мягкого микроволнового нагрева для формирования стекла трегалозы, иммобилизующего биологические молекулы. Техника вдохновлена организмами вроде артемий и тихоходок, которые синтезируют сахара (в частности, трегалозу) в ответ на стресс и могут годами выживать в обезвоженном состоянии.
В текущем исследовании предпринята попытка сухой консервации T-клеток. Метод использует микроволновую энергию для ускоренного удаления молекул воды из цитоплазмы, избегая кристаллизации трегалозы, которая повреждает мембраны и другие клеточные структуры.
Однако исследователи обнаружили, что обезвоживание может продолжаться только до определённого момента — когда отношение массы воды к общей массе других молекул приближается к 0.1. При этом возникает каскад эффектов, и все клетки начинают погибать.
«Когда мы пытаемся обезвожить ядерные клетки с мембранами и сохранить полную функциональность клетки — мы, кажется, упираемся в стену. Мы можем сушить, сушить, сушить до всё более низкого содержания влаги с хорошей жизнеспособностью, а затем достигаем определённого уровня влажности, при котором всё погибает. Происходит очень резкий спад», — отметила Глория Эллиотт, профессор машиностроения.
Точный физический процесс, убивающий клетки, обнаружить не удалось, но команда отметила корреляцию с процессом, наблюдаемым в молекулярном моделировании при той же точке.
«В молекулярном моделировании вы видите, как во время обезвоживания формируются кластеры трегалозы. Важным открытием стало то, что мы увидели, как уровень влажности, при котором мы теряем жизнеспособность клеток, совпадает с моментом, когда все эти небольшие кластеры трегалозы соединяются в одну большую сеть молекул трегалозы», — сказала Эллиотт.
Это указывает на механическое воздействие на клетки. Если все молекулы образуют одну сеть, один большой кластер, то клетки окажутся в ловушке в этой ригидной (жёсткой) сети.
Учитывая хрупкость клеточных структур, особенно тонких клеточных мембран, внезапный переход к жёсткости единой сети трегалозы может быть фатальным для клеток.
«Это даёт нам новую рабочую гипотезу о природе повреждения клеток во время сухой консервации — в процессе сушки клеток существует критическое содержание влаги, при котором сеть молекул сахара становится жёсткой и может вызывать физическое повреждение клеток», — заключила Эллиотт.
Эта гипотеза поддаётся проверке, и у исследователей есть идеи, как решить проблему, если причиной действительно является жёсткость сети.