Al meer dan 60 jaar, onderzoekers hebben geprobeerd het embryo van de zebravis met succes te cryopreserveren (of te bevriezen), een soort die een belangrijk medisch model is voor de menselijke gezondheid. In een nieuwe studie, onderzoekers van de Universiteit van Minnesota en het Smithsonian Conservation Biology Institute (SCBI) leveren het allereerste reproduceerbare bewijs voor de succesvolle cryopreservatie van zebravisembryo's.

De studie maakt gebruik van nieuwe gouden nanotechnologie en lasers om het embryo te verwarmen - het struikelblok in eerdere studies. De resultaten hebben ingrijpende gevolgen voor de menselijke gezondheid, natuurbehoud, en aquacultuur.

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in ACS Nano , een toonaangevend wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd door de American Chemical Society.

"Het lijdt geen twijfel dat het gebruik van deze technologie, op deze manier, markeert een paradigmaverschuiving voor cryopreservatie en het behoud van veel diersoorten, " zei Maria Hagedorn, een SCBI-onderzoeker en co-auteur van papier die sinds 1992 werkt aan het cryopreserveren van zebravisembryo's.

"Om iets aan het werk te krijgen bij zulke koude temperaturen, je moet meestal creatief zijn. Hier kiezen we voor een unieke benadering door biologie te combineren met een opwindende technische technologie om te doen wat voorheen onmogelijk was:een visembryo met succes invriezen en ontdooien zodat het embryo zich begint te ontwikkelen, in plaats van uit elkaar te vallen, ', voegde Hagedorn eraan toe.

Door sperma in te vriezen, eieren en embryo's, natuurbeschermers kunnen bedreigde soorten en hun genetische diversiteit beschermen, waardoor het mogelijk wordt om de genetische pool en daarmee de gezondheid van wilde populaties jaren of zelfs eeuwen later te versterken. Hoewel wetenschappers met succes de embryo's van veel zoogdiersoorten en het sperma van veel vissoorten hebben gecryopreserveerd, het invriezen van visembryo's bleek oneindig veel ingewikkelder.

Succesvolle cryopreservatie van een embryo vereist het afkoelen van het embryo tot een cryogeen stabiele toestand, dan het sneller opwarmen dan het afkoelde, en het gebruik van een antivries (of cryoprotectant) om de groei van ijskristallen te stoppen, die zijn als spelden in een ballon die het membraan laten knappen en ervoor zorgen dat het embryo uit elkaar valt. Visembryo's, echter, zijn erg groot, waardoor het moeilijk is om ze snel te ontdooien en de ontwikkeling van ijskristallen te voorkomen. In aanvulling, omdat waterdieren barre omgevingen moeten overleven, hun embryonale membranen zijn meestal ondoordringbaar, het blokkeren van de cryoprotectanten.

Betreed laser gouden nanotechnologie, een snel groeiend technologisch veld dat wordt ontwikkeld voor cryopreservatietoepassingen door John Bischof, werktuigbouwkunde van de Universiteit van Minnesota, dat cruciaal was voor het succes van het onderzoek en een breed scala aan biomedische toepassingen heeft.

"Lasers hebben het opwindende vermogen om te werken als een "lichtschakelaar" die biologische activiteit kan in- en uitschakelen binnen met gouden nanodeeltjes beladen biomaterialen, " zei Bischof, senior auteur van de studie. "In dit geval, door zorgvuldige engineering en inzet van gouden nanodeeltjes in een cryogeen opgeslagen en biologisch inactief embryo, we kunnen een laserpuls gebruiken om het embryo snel weer op te warmen tot omgevingstemperatuur en biologische activiteit om te schakelen, en daarom het leven, terug aan."

Gouden nanostaafjes zijn kleine cilinders van goud die geabsorbeerd licht (van een laser, bijvoorbeeld) in warmte. De auteurs van het onderzoek injecteerden zowel de cryoprotectant als nanogold-deeltjes in de embryo's. De gouddeeltjes brachten de warmte gelijkmatig door het embryo wanneer ze met een laser werden geraakt, het embryo opwarmt van -196 graden Celsius naar 20 graden Celsius in slechts een duizendste van een seconde. De verbazingwekkend snelle opwarming, in combinatie met de cryoprotectant, voorkomt de vorming van dodelijke ijskristallen.

Embryo's die dit proces ondergingen, ontwikkelden zich in ieder geval tot het 24-uursstadium waarin ze een hart ontwikkelden, kieuwen, staartmusculatuur en bewogen, wat hun levensvatbaarheid na het ontdooien aantoont.

De auteurs van het onderzoek willen vervolgens het proces verfijnen om ervoor te zorgen dat ze de overlevingskans van de embryo's kunnen verhogen. Ze zullen ook het gebruik van automatisering onderzoeken om te vergroten hoeveel embryo's ze met succes tegelijk kunnen ontdooien.

Omdat de embryo's van andere waterdieren - vissen, amfibieën en koraal - lijken erg op die van zebravissen, deze technologie is direct toepasbaar op de cryopreservatie van embryo's van veel soorten. De technologie kan ook worden aangepast om embryo's van reptielen en vogels te cryopreserveren en het proces van cryopreservatie van embryo's van zoogdieren te verbeteren. waaronder reuzenpanda's en grote katten. In aanvulling, de technologie kan aquacultuurbedrijven helpen efficiënter en kosteneffectiever te worden, minder druk uitoefenen op wilde populaties.

Menselijke gezondheidsonderzoekers gebruiken zebravissen - die een genoom hebben dat lijkt op dat van mensen - als belangrijke ziektemodellen om melanoom te bestuderen, hartaandoeningen en bloedaandoeningen, onder andere gezondheidsproblemen. Gecryopreserveerde zebravisembryo's zullen voorkomen dat de wetenschappers volledige onderzoekslijnen verliezen en zullen hen de flexibiliteit geven om de lijnen indien nodig terug te brengen.