Cryopreservatie omvat het bewaren van biologische materialen, zoals cellen, weefsels, en organen, bij ultralage temperaturen, zodat ze op een later tijdstip nieuw leven kunnen worden ingeblazen en gebruikt. Om cryopreservatie te bereiken zodat de geconserveerde materialen niet worden beschadigd, wetenschappers gebruiken verschillende chemicaliën die cryoprotectanten worden genoemd, die het vriesproces vergemakkelijken. Helaas, veel van de bestaande cryoprotectieve middelen hebben grote beperkingen. Bijvoorbeeld, dimethylsulfoxide is nuttig voor het cryopreserveren van rode bloedcellen, maar het is ook giftig voor de cellen.

Om deze beperkingen te overwinnen, onderzoekers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) en het Japanse RIKEN hebben geëxperimenteerd met een klasse chemicaliën die bekend staat als polyamfolyten, het identificeren van één polyamfolyt genaamd gecarboxyleerd ε-poly-ʟ-lysine (COOH-PLL) als een veelbelovende cryoprotectant die geen toxische effecten op cellen heeft.

Echter, het mechanisme waardoor COOH-PLL als een cryoprotectant werkt, bleef slecht begrepen, en dit belemmerde de inspanningen om betere polyamfolyt-cryoprotectanten te ontwikkelen. Om deze kenniskloof aan te pakken, dit team van onderzoekers, die werd geleid door professor Kazuaki Matsumura van JAIST - en waar ook Asst. Prof. Robin Rajan van JAIST en Dr. Fumiaki Hayashi en Dr. Toshio Nagashima van RIKEN - voerden een ander onderzoek uit waarin ze een methode gebruikten die solid-state nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie wordt genoemd om te karakteriseren wat er met watermoleculen gebeurt, natrium- en chloride-ionen, en een vorm van COOH-PLL genaamd PLL-(0.65) wanneer ze worden gemengd en ingevroren tot temperaturen die worden gebruikt bij cryopreservatie. Hun bevindingen verschijnen in een recent nummer van het peer-reviewed tijdschrift Communications Materials.

Zoals verwacht, de NMR-signalen die van deze bevroren oplossingen werden geregistreerd, wezen op verminderde mobiliteit op moleculair niveau en verhoogde viscositeit van de oplossing (d.w.z. verhoogde weerstand tegen stroming) bij ultra-lage temperaturen. belangrijk, de PLL-(0,65)-moleculen sloten de watermoleculen en ionen op op een manier die de vorming van intracellulaire ijskristallen verhinderde en de effecten van osmotische shock tegenging (een vorm van fysiologische disfunctie waarbij een plotselinge verandering in de ionenconcentraties rond een cel kan leiden tot snelle in- of uitstroom van vloeistof in of uit de cel, beschadigen). Intracellulaire ijskristallen en osmotische shock zijn belangrijke oorzaken van cel- of weefselbeschadiging tijdens bevriezing, dus het vermogen van PLL-(0,65) om beide te voorkomen, helpt de effectiviteit ervan als cryoprotectant te verklaren.

Bij het beschrijven van de wetenschappelijke waarde van deze bevindingen, Prof. Matsumura merkt op dat het gebruik van NMR "de karakterisering mogelijk heeft gemaakt van de cryoprotectieve eigenschappen van polymeren die werken via mechanismen die verschillen van die van de huidige cryoprotectanten." Hij voorspelt dat deze karakterisering "het moleculaire ontwerp van nieuwe cryoprotectanten zal vergemakkelijken, " wat "het klinische gebruik van polymere cryoprotectieve middelen zal bevorderen die kunnen dienen als efficiënte alternatieven voor kleine moleculen zoals dimethylsulfoxide en glycerol."

Cryoprotectanten met kleine moleculen zijn alleen nuttig voor het conserveren van cellen en kleine weefsels, maar polymere cryoprotectanten kunnen onderzoekers in staat stellen de cryopreservatie van grotere weefselvolumes of zelfs hele organen te bereiken. Dit zou een belangrijke stap vooruit zijn voor opkomende gebieden zoals regeneratieve geneeskunde, die tot doel heeft de normale fysiologische functies te herstellen door cellen te vervangen of te regenereren, weefsels, en organen.

De bevindingen van het team kunnen ook belangrijke implicaties hebben voor de basisbiologie. In recente jaren, wetenschappers hebben geleerd dat intrinsiek ongeordende eiwitten, die een vaste driedimensionale vorm missen, spelen een belangrijke rol bij het beschermen van cellen tegen schade als gevolg van uitdroging en osmotische shock bij lage temperaturen. Omdat eiwitten zelf een klasse van polyamfolyten zijn, deze recent gepubliceerde bevindingen met betrekking tot het gedrag van COOH-PLL bij ultra-lage temperaturen kunnen helpen bij het verklaren van de mechanismen waarmee intrinsiek ongeordende eiwitten cellen beschermen. Verder onderzoek naar de mechanismen van dergelijke eiwitten kan op zijn beurt leiden tot de ontwikkeling van geavanceerde materialen met toepassingen in de regeneratieve geneeskunde.

Tot slot, deze bevindingen kunnen van grote waarde zijn voor biologie en geneeskunde. "Op basis van ons nu verbeterde begrip van de mechanismen van polymere cryoprotectieve middelen, " merkt prof. Matsumura op, "we verwachten nieuwe cryopreservatietechnologieën te ontwikkelen voor grote weefselvolumes en organen, die de implementatie van regeneratieve geneeskunde op industriële schaal mogelijk zal maken via de oprichting van banken van gemanipuleerde weefsels." Deze stappen in de richting van regeneratieve geneeskunde zullen veel bijdragen aan het verbeteren van het leven van mensen met medische aandoeningen die momenteel ongeneeslijk zijn.