Крионика. Современность и перспективы.
Чтобы раскрыть изначальную идею крионики и вектор ее развития достаточно поставить довольно простой вопрос: «Можно ли заморозить живого человека, а через несколько дней или десятков лет разморозить и оживить?» Ответ: как это ни удивительно, — да. В 1993 году. Церковь обратилась на кафедру эмбриологии биофака МГУ с вопросом, когда с точки зрения науки начинается человеческая жизнь.
Профессора кафедры В. А. Голиченков и Д. В. Попов официально ответили, что жизнь человека начинается с момента зачатия. На ранних этапах эмбрионального развития можно обратимо заморозить человека. И можно через нужный интервал времени (либо через год, или через 50 лет) разморозить эмбрион и имплантировать в женский организм. Родится здоровый ребенок. Наука не стоит на месте. Сегодня уже разработаны криопротекторы — вещества, эффективно защищающие биологические объекты от повреждений при замораживании.
Предложены оптимальные скорости и условия замораживания различных биологических объектов, специальные устройства — программные замораживатели, позволяющие с минимальными рисками разрушения перевести в криосостояние живой объект. Небольшие биологические объекты можно быстро и равномерно заморозить. Точно установлен научный факт, что современные технологии замораживания-размораживания не оказывают неблагоприятного влияния на дальнейшую жизнь, рост и развитие как людей, так и животных, если они в эмбриональном состоянии провели даже десятилетия в жидком азоте.
В 1972 году группа американских ученых под руководством Петра Мазура впервые в мире провела успешную криоконсервацию предимплантационных эмбрионов мыши. Этой группой ученых была описана математика и биология процессов, которые происходят в ходе постепенного замораживания живых объектов. Это теоретическое обоснование получило название «двухфакторной теории Мэйзура». Согласно этой теории, существуют два основных повреждающих фактора при замораживании. Это, во-первых, внутриклеточные кристаллы льда, которые возникают при замораживании, и, во-вторых, высокие концентрации солей, которые увеличиваются, когда вода в жидкой фазе вокруг клеток начинает кристаллизоваться во внеклеточный лед, а ионы солей оказываются вне льда в меньшем объеме переохлажденной воды. Иными словами, чрезмерно быстрое охлаждение убивает клетки за счет формирование внутриклеточного льда, а чрезмерно медленное охлаждение убивает клетки за счет токсичности возрастающих концентраций солей и механических внешних повреждений.
Из этой теории были сделаны крайне важные для практики выводы, о том, что степень повреждения клеток зависит от проницаемости клеточной мембраны и скорости охлаждения. С учетом этого были разработаны оптимальные программы замораживания, которые различались как для разных биологических типов замораживаемых объектов, так и для разных видов животных. Эти программы позволяли успешно замораживать клеточные суспензии, сперматозоиды и эмбрионы. При замораживании микроскопически мелких объектов образование внутриклеточных кристаллов льда минимально, так как внутриклеточная вода успевает выйти через клеточные мембраны, а экспозиция в гиперосмотических растворах получается недолгой. Так, для эритроцитов оптимальна очень быстрая скорость охлаждения (почти 100° C в секунду), тогда, как стволовые клетки надо замораживать медленно, оптимальная скорость охлаждения 1° C в минуту до температуры от −30 ° C и до −40 ° C, после чего можно переносить замороженные образцы в жидкий азот. Обязательным компонентом при замораживании живых объектов является криопротектор. Группа Мэйзура кроме глицерина, использовала диметилсульфоксид и этиленгликоль. При этом обнаружено, что 10% концентрация ДМСО оптимальна для сохранения разных клеток. Показано, что разные криопротекторы по-разному проникают в клетки, и мера их токсичности зависит не только от времени экспозиции и типа клеток, но и от температуры. Таким образом, оптимальные условия замораживания обычно подбирают экспериментально. Работы Мэйзура инициировали быстрое развитие криотехнологий, началось массовое криосохранение эмбрионов животных, а затем и человека. Возможность длительного сохранения эмбрионов животных при сверхнизких температурах сыграло важную роль в генетическом улучшении поголовья домашних животных разных пород. А эффективное замораживание эмбрионов человека поспособствовало бурному развитию вспомогательных репродуктивных технологий в медицине.
Уже существуют по всему миру крупные генетические центры, в которых хранятся коллекции многих видов и линий животных в виде замороженных эмбрионов. Совершенно здоровые мышата, зачатые четверть века назад, появились на свет в одной из лабораторий лондонской больницы Святого Георгия. Их эмбрионы с 1972 года хранились в сосудах с жидким азотом при температуре –196 °С. Лишь недавно зародыши были разморожены и пересажены в матку суррогатной матери.
Самая крупная в мире коллекция из 3000 мышиных генотипов хранится в Джексоновской лаборатории (США), некоторые линии существуют только в коллекции этой лаборатории. Лаборатория продает около двух миллионов лабораторных мышей в год. Большая часть из них — около 2500 линий мышей, а это десятки или сотни тысяч эмбрионов, находятся в состоянии анабиоза в жидком азоте криобанка лаборатории. Каждый год криобиологи Джексоновской лаборатории размораживают из криохранилищ под заказ эмбрионы около 400 линий мышей, которые переносятся в матку самок, и заказчики получают стадо новорожденных молодых здоровых мышей с нужными генетическими особенностями. Лишь 500 наиболее востребованных линий поддерживаются в виде живой коллекции, но даже, и они дублируются в криобанке. Кроме того, криохранение эмбрионов способствует поддержанию чистоты линий. Чтобы поддерживать многие годы линии мышей, они должны постоянно размножаться (продолжительность их жизни 2–3 года), при размножении, в линии накапливаются случайные генетические мутации. Всегда существует риск инфекционных заболеваний. Криобанк эмбрионов необходим не только для восстановления линии, погибшей от инфекции, но и для очистки линии от этой инфекции. Замороженные эмбрионы могут столетиями обходиться без воды, пищи, тепла и света.
Поэтому и другие крупные генетические центры также предпочитают переходить на сохранение своих коллекций животных в виде их замороженных эмбрионов и половых клеток. При Центре исследования млекопитающих (MRC) в Великобритании создан крупный криобанк — FESA (FrozenMouseandSpermArchive). В нем хранится около 400 тысяч эмбрионов, или 1200 линий мышей — в среднем более 300 замороженных эмбрионов на линию. Большинство экспертов-криобиологов сходятся на том, что для надежного сохранения линии животных в жидком азоте нужно 200–500 эмбрионов. Однако, как свидетельствует мировой опыт, иногда удается восстановить линию всего лишь из 20 эмбрионов.
Во многих центрах экстракорпорального оплодотворения хранятся тысячи замороженных эмбрионов людей, ожидающих размораживания и продолжения своего развития.
Одним из первичных этапов развития крионических технологий является криоконсервация.
Криоконсервация
Криоконсервация (от греч. κρύος — холод и лат. conservo — сохраняю) — это низкотемпературное хранение живых биологических объектов с возможностью восстановления их биологических функций после размораживания. Криоконсервация уже является неотъемлемой частью многих медицинских технологий. Замороженная плазма и клеточные элементы крови эффективно спасают раненых и обожженных людей.
Стволовые клетки пуповинной крови и других органов могут десятилетиями храниться в жидком азоте, ожидая своего часа, когда для спасения жизни и здоровья они могут быть разморожены и возвращены в организм заболевшего ребенка. Сегодня можно заморозить костный мозг, и в случае, если, например, пожарный или спасатель получает смертельную дозу радиации, его собственный, заранее замороженный костный мозг размораживается, отмывается от криопротектора и вводится внутривенно. Обреченный на мучительную смерть человек восстанавливает систему гемопоэза и возвращается к полноценной жизни.
Программные замораживатели — комплексные электронные устройства, предназначенные для обеспечения планомерного и точного охлаждения различных биологических объектов до низких и сверхнизких.
При некоторых видах злокачественных опухолей спасти ракового больного от неминуемой смерти могут только очень высокая доза специальных противоопухолевых химиотерапевтических препаратов и временное криосохранение его костного мозга. В высокой дозе противоопухолевые яды и токсины с большей вероятностью уничтожают опухолевые клетки, но при этом наносят организму больного непоправимый ущерб. Чтобы спасти от смертельно опасных осложнений химиотерапии, у онкологического пациента перед курсом лечения извлекается часть его собственного костного мозга и подвергается криоконсервации — сохранению в жидком азоте. Внутривенное введение своего же собственного размороженного костного мозга после окончания курса химиотерапии запускает механизмы регенерации и спасает человека уже не столько от рака, сколько от разрушительных последствий такого опасного системного лечения.
Особенно успешными оказались опыты по замораживанию генеративных органов — семенников и яичников. Этот подход даже рекомендован экспертами здравоохранения как одна из реальных возможностей восстановления детородной функции у людей, перенесших химио- и лучевую терапию при лечении рака в раннем возрасте.
Впервые в феврале 2007 года в Дании у Стинне Хольм Бергхольдт родился первый ребенок из замороженных половых желез — девочка, которую назвали Авиайа. Стинне Хольм было 27 лет, когда в 2004 году у нее была диагностирована редкая злокачественная опухоль кости — саркома Юинга. Перед химиотерапией, учитывая, что детей у пациентки на момент обнаружения опухоли не было, в виде эксперимента часть ее правого яичника была удалена, рассечена на тонкие полоски и заморожена. Это было сделано в надежде на то, что когда-нибудь в будущем, может быть, с помощью этих фрагментов органа способность к деторождению будет восстановлена.
Лечение саркомы химиотерапией оказалось успешным, но, как обычно бывает после химиотерапии, лекарства убили не только опухоль, но и клетки яичников девушки.
В сентябре 2004 года бельгийский профессор Жак Донне сообщил о первом рождении человека из оплодотворенной яйцеклетки, которая созрела в резвившимся фолликуле на пересаженном фрагменте коры яичника. Эта часть органа была предварительно заморожена и относительно длительно (7 лет) сохранялась вне тела в жидком азоте.
В 1997 году образцы коры яичников были взяты при отдельной операции до начала курса химиотерапии у женщины, больной лимфомой Ходжкина для того, чтобы избежать их необратимого токсического поражения. Ткани яичника подверглись криоконсервации с применением программного замораживателя (Planer, UK), и затем хранились в жидком азоте. После завершения химиотерапии у женщины возникла преждевременная недостаточность яичников. В 2003 году после окончательного излечения от лимфомы сохраненные части корковой ткани яичника были аутотрансплантированы в организм женщины на свое место путем лапароскопической операции. Через пять месяцев после пересадки восстановились регулярные овуляторные циклы. А через одиннадцать месяцев в возрасте 32 лет Ойарда Туйрат забеременела естественным образом. Беременность протекала нормально и завершилась своевременным рождением здоровой девочки весом 3,72 кг.
Через несколько лет после окончания курса лечения и полного выздоровления от рака эта молодая женщина решила родить ребенка. В декабре 2005 года было принято решение разморозить полоски ткани половой железы и пересадить обратно к тому, что осталось от ее правого яичника. На удивление врачей, яичник женщины начал регенерировать и нормально заработал. После краткого гормонального курса для стимуляции производства яйцеклеток Стинне Хольм смогла зачать естественным путем и родить собственного здорового ребенка. Удивительно, но скоро Стинне Хольм забеременела естественным путем второй раз и родила второго здорового ребенка — Лукку.
Не менее впечатляют данные, полученные на животных в Японии. В 2006 году ученые сообщили о результатах уникального эксперимента. Репродуктивные органы самцов мышей хранились в обычном холодильнике при температуре –20 °С в течение 15 лет. Затем эти органы были вынуты из холодильника и разморожены. Из размороженных половых желез выделили сперматозоиды. Они были неподвижны, причем специальные тесты подтвердили, что они мертвы, хотя признаков деградации ДНК не было. После инъекции этих сперматозоидов в подготовленные ооциты (половые клетки самок) некоторые из них стали развиваться. После искусственного оплодотворения ооцитов сперматозоидами из размороженных семенников стали развиваться эмбрионы. Они были перенесены в организм самок мышей, которые благополучно родили здоровое потомство.
Исследуется применимость уникального явления — витрификации в криобиологии. При сверхбыстром замораживании молекулы воды не образуют кристаллические структуры — жидкость переходит в стеклообразное, аморфное состояние, и криоповреждения сводятся к возможному минимуму. Совсем недавно с помощью витрификации удалось заморозить почку кролика до температуры –45 °С. Эта почка была через некоторое время разморожена и пересажена в тело другому кролику. Пересаженная размороженная почка прижилась и стала нормально функционировать.