Разработаны полимеры, защищающие криогенно-консервированные клетки от повреждения

Клеточная терапия имеет большие перспективы для революционного лечения рака и аутоиммунных заболеваний. Но эта многомиллиардная индустрия требует длительного хранения клеток в условиях очень холодных криогенных условий, обеспечивая при этом их способность продолжать функционировать после оттаивания. Тем не менее, эти низкие температуры вызывают образование и рост льда, который может пробить и разорвать клетки. Исследования, опубликованные в журнале Американского химического общества химиками Университета Юты Павитрой Науллаг и Валерией Молинеро, обеспечивают основу для разработки эффективных полимеров, которые могут предотвратить рост льда, который повреждает клетки.

Природный антифриз

Современные стратегии криоконсервации клеток и органов включают в себя обливание их большим количеством диметилсульфоксида, токсичного химического вещества, которое препятствует образованию льда, но усиливает клетки, уменьшая их шансы на выживание.

Природа, однако, нашла способ поддерживать жизнь организмов в условиях сильного холода: протеины антифриза. Рыба, насекомые и другие хладнокровные организмы выработали мощные антифризные гликопротеины, которые связываются с кристаллитами льда и препятствуют их росту и повреждению клеток.

Растущая область клеточной терапии требует разработки мощных ингибиторов рекристаллизации льда, которые могут конкурировать по активности с природными антифризными гликопротеинами, но не имеют стоимости и токсичности диметилсульфоксида. Это требование стимулировало синтез полимеров, которые имитируют действие антифриза на гликопротеины. Но самый мощный синтетический ингибитор рекристаллизации льда, найденный на сегодняшний день, поливиниловый спирт (PVA), на несколько порядков менее эффективен, чем природные гликопротеины.

«Усилия по выявлению более сильных ингибиторов роста льда, похоже, зашли в тупик, так как пока нет молекулярного понимания факторов, ограничивающих эффективность ингибирования рекристаллизации льда полимерами», — говорит Молинеро.

Скрытая переменная дизайна полимера

Как молекулы предотвращают увеличение кристаллов льда? Молекулы, которые сильно связываются со льдом, прикрепляют его поверхность, заставляя ледяной фронт формировать изогнутую поверхность вокруг молекул. Эта кривизна дестабилизирует кристалл льда, останавливая его рост. Молекулы, которые остаются связанными со льдом в течение времени, превышающего время, необходимое для выращивания кристаллов льда, предотвращают дальнейший рост и перекристаллизацию.

Молинеро и Науладж использовали крупномасштабное молекулярное моделирование, чтобы выяснить молекулярные основы того, как гибкость, длина и функционализация полимеров контролируют их связывание со льдом и их эффективность для предотвращения роста льда. Их исследование показывает, что время связывания молекул на поверхности льда контролируется силой их связывания со льдом в сочетании с длиной полимера и скоростью их распространения на поверхности льда.

«Мы обнаружили, что эффективность гибких полимеров в сдерживании роста льда ограничена медленным распространением их связывания со льдом», — говорит Молинеро.

В исследовании анализируются различные факторы, которые контролируют связывание гибких полимеров со льдом и которые определяют разрыв в активности гликопротеинов природного антифриза. В двух словах, каждый блок антифриза гликопротеинов связывается со льдом сильнее, чем ПВС, и им также способствует их вторичная молекулярная структура, которая разделяет блоки связывания и не связывания, чтобы позволить им быстрее прикрепляться к льду, чтобы остановить его рост.

Источник

Метки: антифриз, вода