Исследуя процессы замораживания эмбрионов ранних стадий, сотрудники Института автоматики и электрометрии СО РАН и ФИЦ Института цитологии и генетики СО РАН изучили, как меняется фазовое состояние липидов преимплантационных эмбрионов мыши, замораживаемых при криоконсервации. Статья «Raman spectroscopy reveals the lipid phase transition in preimplantation mouse embryos during freezing», посвящённая этим исследованиям, опубликована в декабрьском выпуске журнала Archives of Biochemistry and Biophysics.

Криоконсервация – технология сохранения биологических объектов путём их охлаждения до криогенных температур. Этот подход, в частности, используется в задачах сохранения генетического материала. Семя, яйцеклетки и преимплантационные эмбрионы замораживаются с целью сохранения линий лабораторных животных, племенных пород скота, а также генетического материала вымирающих видов животных.

При криоконсервации очень важно, чтобы биологический материал не был повреждён на этапах замораживания и последующего отогрева. Процедуры замораживания и размораживания клеток проводятся по протоколам, обеспечивающим высокой процент выживания клеток после размораживания с учётом видовых особенностей. В настоящее время далеко не для всех видов животных разработаны соответствующие протоколы криоконсервации. Ситуация осложняется тем, что разработка этих протоколов, как правило, проводится эмпирическим путём. Такой подход к развитию методов криоконсервации оказывается особенно затруднителен в условиях ограниченного количества доступного материала. Для увеличения эффективности протоколов замораживания/отогрева необходимо расширять знания о том, что происходит с клетками при замораживании.

Особую роль при описании состояния замораживаемой клетки играют биофизические факторы, лежащие в основе нормальной работы клетки в физиологических условиях. Одним из таких факторов, нуждающимся в исследовании, является фазовое состояние липидов. Фазовый переход липидов из неупорядоченного в упорядоченное состояние приводит к тому, что липидные структуры становятся более жёсткими, снижаются скорость диффузии внутри них и пропускная способность мембран клетки, нарушается работа мембранных белков. Предполагается, что последствия фазового перехода липидов зависят от того, при какой температуре он происходит.

Для исследования фазового состояния липидов в замораживаемых клетках сотрудники ИАиЭ СО РАН и ИЦиГ СО РАН предложили использовать метод комбинационного рассеяния света (когда исследуется взаимодействие биологических веществ клетки и лазерного излучения) и продемонстрировали на преимплантационных эмбрионах мыши возможности этого подхода. Предложенный метод является бесконтактным и может быть использован без вмешательства в процесс замораживания клеток. Суть метода заключается в изучении эволюции линий комбинационного рассеяния света, относящихся к колебаниям СH2-групп (которые входят в состав липидов). При фазовом переходе липидов в упорядоченное состояние происходит изменение соотношения между интенсивностями этих линий.

Липиды при замораживании эмбрионов

Рис. 1. Способ определения фазового состояния липидов в замораживаемых эмбрионах. Отношение интенсивностей линий СН2-групп (слева) может быть использовано для определения фазового состояния липидов. Исследование спектров комбинационного рассеяния света на разных температурах позволяет обнаружить момент фазового перехода (справа). На вставках показаны микрофотографии эмбриона мыши перед охлаждением (1) и в замороженном состоянии (2).

Сибирскими учёными впервые на живых эмбрионах изучено фазовое состояние липидных структур в широком температурном диапазоне от −120 до +10 ºС. Установлено, что в замораживаемых эмбрионах мыши фазовый переход липидов происходит в интервале температур от −7 до 0 ºС. При температурах ниже фазового перехода свойства липидных структур меняются, что приводит к нарушениям биологических процессов, протекающих в эмбрионах. В случае эмбрионов мыши температура фазового перехода оказалась достаточно низкой. Существует эмпирическое правило: чем выше температура фазового перехода в клетках, тем клетки должны быть более чувствительны к охлаждению. Низкая температура фазового перехода в эмбрионах мыши объясняет их способность успешно переносить замораживание и отогрев при криоконсервации.

В настоящее время уже существуют протоколы для замораживания преимплантационных эмбрионов мыши. В ИЦиГ СО РАН создан криобанк, в котором в замороженном состоянии хранятся десятки линий лабораторных мышей и крыс. Несмотря на это, даже для эмбрионов тех видов, для которых разработаны протоколы криоконсервации, многие биофизические аспекты замораживания остаются слабо изученными. Разработанный подход для исследования фазовых переходов липидов в одиночных клетках позволит лучше разобраться в этих процессах и будет применяться в дальнейшем при изучении фазовых переходов при замораживании других, более редких и актуальных образцов. Полученные данные о фазовом переходе в эмбрионах мыши позволят провести сравнение характеристик фазовых переходов липидов в яйцеклетках и эмбрионах, которые успешно переносят замораживание, и тех, для которых криоконсервация сейчас проблематична.

Клетка – сложное образование. Помимо липидов она содержит белки, углеводы и другие элементы. Каждый из компонентов при замораживании ведёт себя по-разному. Поэтому изучения только фазового перехода липидов недостаточно для формирования протокола. Задача учёных – понять, какие компоненты сильнее влияют на выживаемость клетки в процессе замораживания. Нужно дальнейшее изучение клеточных компонентов для более эффективного выстраивания протокола.

 

Okotrub K.A., Amstislavsky S.Y., Surovtsev N.V. Raman spectroscopy reveals the lipid phase transition in preimplantation mouse embryos during freezing // Archives of Biochemistry and Biophysics 635:37-43 (2017). DOI: 10.1016/j.abb.2017.10.001

 

Пресс-релиз в формате pdf

Похожие новости

  • 04/02/2019

    На века: эксперименты длиною в сотни лет, которые все еще не закончены

    Более полувека новосибирские генетики одомашнивают черно-бурых лисиц, австралийские физики 90 лет наблюдают за капающей смолой, а американские ботаники столетие с лишним регулярно выкапывают семена и изучают их свойства.
    459
  • 15/11/2017

    Учёные обнаружили у нескольких морских существ вещества, способные уничтожать раковые клетки

    ​Ученые из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе со своими коллегами из Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВО РАН), а также из ведущих онкологических клиник Германии и Швейцарии обнаружили в составе ряда морских организмов (гидробионтов) уникальные вещества, способные уничтожать опухолевые клетки.
    1153
  • 05/02/2018

    Новосибирские физики и биологи исследуют влияние терагерцевых волн на живые организмы

    ​Как подчинить бактерии нажатием кнопки? В Академгородке физики и биологи исследуют реакцию кишечной палочки на терагерцевые волны. Малоизученный вид излучения может принести человечеству не меньше, а то и больше пользы, чем рентген.
    1085
  • 30/10/2018

    Наночастицы оксида марганца снижают негативные эффекты радиационного воздействия на организм мышей

    В процессе совместной работы по поиску оптимальных условий радиотерапии глиом ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН) показали, что введенные в организм наночастицы оксида марганца на фоне микропучкового облучения позволяют нейтрализовать вредные факторы, связанные с облучением лабораторных животных.
    612
  • 22/09/2016

    В Новосибирске планируют создать клинику для лечения методом БНЗТ

    ​Новосибирский государственный университет в сотрудничестве с российскими и зарубежными научными организациями работает над реализацией масштабного проекта по созданию клиники для лечения глиобластомы мозга и других онкологических заболеваний с помощью метода бор-нейтронозахватной терапии и ускорительного источника нейтронов Института ядерной физики им Г.
    3499
  • 16/08/2017

    Новосибирские ученые разрабатывают новый способ лечения рака

    Исследователи из новосибирского Академгородка совместно с американскими коллегами разработали новый перспективный метод диагностики и терапии раковых опухолей. Сегодня одним из наиболее эффективных методов лечения онкобольных является бор-нейтрон захватная терапия.
    2132
  • 26/12/2016

    В ИЯФ СО РАН разрабатывают новый способ лечения опухолей мозга

    ​Сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН исследуют метод микропучковой рентгеновской терапии злокачественных опухолей мозга. Уже проведены пробные эксперименты по облучению клеточных культур глиомы человека с добавлением наночастиц оксида марганца.
    1870
  • 27/03/2019

    Сибирские ученые развивают методы криоконсервации половых клеток и эмбрионов

    Исследователи ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» и Института автоматики и электрометрии СО РАН продвинулись в изучении механизмов замораживания и сохранения эмбрионов и гамет, содержащих большое количество липидов — жиров и жироподобных веществ.
    460
  • 31/05/2016

    Новосибирские ученые исследуют кровеносную систему

    ​Кровеносная система лежит в основе функционирования головного мозга, и в области её работы ещё много «белых» пятен. Сибирские учёные в сотрудничестве с медиками решили устранить некоторые из них.  Исследование имеет и прикладной выход: уже создана уникальная система мониторинга нейрохирургических операций, метод повышения качества магнитно-резонансной томографии, а также инструментарий для персонализированного моделирования протекания некоторых болезней.
    2905
  • 11/12/2019

    Сибирские ученые включены в состав Комиссии по редким и исчезающим видам животных, растений и грибов Красной книги РФ

    ​Впервые зоолог из АлтГУ вошел в состав экспертной комиссии по составлению Красной книги Российской Федерации. 1 декабря 2019 года обнародован Состав Секции экспертов по наземным беспозвоночным животным при Комиссии по редким и исчезающим животным, растениям и грибам по состоянию на 26 ноября 2019 г.
    151