БИОХИМИЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ КЛЕТОК: ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ ЗАМОРАЖИВАНИИ И ХРАНЕНИИ КЛЕТОК

Актуальность. Исследование биохимических механизмов замораживания клеток представляет собой актуальную научную задачу, имеющую фундаментальное и прикладное значение. Процесс криоконсервации сопряжен с рядом критических проблем, требующих детального изучения: формирование внутри- и внеклеточного льда, осмотический стресс, фазовые переходы в липидных мембранах. Особую значимость приобретает разработка эффективных криопротекторов и оптимизация их применения, а также изучение роли антифризных белков в защите клеточных структур при низких температурах.

Цель – систематизировать и критически проанализировать современные знания о молекулярных и клеточных механизмах, лежащих в основе процессов замораживания и криоконсервации клеток, с акцентом на биохимические изменения и адаптационные реакции клеток.

Материалы и методы. Проведен поиск литературы в электронных базах данных PubMed, Scopus и Web of Science, MEDLINE. Ключевые слова для поиска включали: «cryobiology», «cell freezing», «cryopreservation», «biochemistry of freezing», «cell storage». Временной диапазон охватывал период с 1980 по 2024 года, что позволило проследить эволюцию представлений о процессах, происходящих при замораживании клеток.

Результаты. В ходе проведенного исследования были систематизированы и обобщены ключевые аспекты биохимических механизмов замораживания клеток. Анализ литературных данных подтвердил, что основными факторами повреждения клеточных структур при криоконсервации являются образование кристаллов льда и окислительный стресс, вызванный свободными радикалами.

Заключение. Криоконсервация биологических материалов представляет собой динамично развивающуюся область, имеющую фундаментальное значение для современной биотехнологии и медицины. Проведенный анализ современных подходов к замораживанию и размораживанию биологических образцов позволяет сделать следующие выводы. Автоматизированные системы, такие как SmartThaw, демонстрируют значительные преимущества перед традиционными методами, обеспечивая стандартизацию процессов, снижение рисков контаминации и повышение воспроизводимости результатов. Углубление понимания молекулярных и клеточных механизмов криоповреждений, включая структурно-функциональные изменения мембран, окислительный стресс и апоптотические пути, создает основу для разработки более эффективных протоколов криоконсервации. Особую значимость современные технологические решения имеют для вспомогательных репродуктивных технологий, где качество сохраняемых гамет и эмбрионов напрямую определяет успешность лечения бесплодия. Дальнейшее развитие методов криоконсервации требует междисциплинарного подхода, объединяющего достижения в области биофизики, клеточной биологии, материаловедения и инженерии.

1. Vashchenko, V. I., Chukhlovin, A. B., Petrenko, G. I., Vilyaninov, V. N., Bagautdinov, S. M. (2015). The effect of freezing factors on changes in intracellular metabolism during cryopreservation of human bone marrow. Bulletin of the International Academy of Refrigeration, (4), 91-94.

2. Grishchenko, V. I. "Achievements of cryobiology and cryomedicine in the name of national health." Problems of cryobiology 18, № 3 (2008): 269-274.

3. Efremov M.I., Illarionova K.G., Shamitova E.N., Dyachkova I.M. Promising bioantioxidants with low toxicity. Healthcare of Chuvashia. 2023. No. 4. pp. 46-55.

4. Zemlyanskikh, N.G., Kofanova O.A. "Human erythrocyte Ca2⁺-ATPase is modified by glycerol and low temperatures." Problems of cryobiology and cryomedicine (2005).

5. Odintsovo I.A., Rusakova S.E., Schmidt A.A., Timoshkova Yu.L. Cryopreservation of germ cells: history and modern the status of the issue. Genes and cells. 2021;16(3):44-51.

6. Oleinik, G. A., Baranova, S. V., Zhdanova, P. V., Chernonosov, A. A. (2022). Structural features of ice-binding proteins. III Joint Scientific Forum of Physiologists, Biochemists and Molecular Biologists (pp. 18-18).

7. Mazur, P., Leibo, S. P., & Chu, E. H. (2005). A two-factor hypothesis of freezing injury: evidence from Chinese hamster tissue-culture cells. Experimental Cell Research, 71(2), 345-355.

8. Karlsson, J. O., & Toner, M. (1996). Long-term storage of tissues by cryopreservation: critical issues. Biomaterials, 17(3), 243-256.

9. Karlsson, Jens OM. "A theoretical model of intracellular devitrification." Cryobiology 42.3 (2001): 154-169.

10. Fahy, G. M., Wowk, B., Wu, J., & Paynter, S. (2004). Improved vitrification solutions based on the predictability of vitrification solution toxicity. Cryobiology, 48(1), 22-35.

11. Wolkers, W. F., Crowe, L. M., Tsvetkova, N. M., Tablin, F., & Crowe, J. H. (2007). In situ assessment of erythrocyte membrane properties during cold storage. Molecular Membrane Biology, 19(1), 59-65.

12. Baust, J. G., Gao, D., & Baust, J. M. (2009). Cryopreservation: An emerging paradigm change. Organogenesis, 5(3), 90-96.

13. Baust JM. Development of novel devices for the controlled. and rapid freezing and thawing of viable cell products. Presented at the ISBioTech 2nd Fall Meeting, Rosslyn, Virginia, USA;

14. –29 Oc t. 2014.

15. Baust, J.M., Corwin, W.L, Snyder,K.K., Baust, J.G.,and Van Buskir R.G.(2016)

16. Development and Assessment of a Novel Device for the Controlled, Dry Thawing of Cryopreserved Cell Products. BioProcessing Spring 2016[Vol.15/№1]: 30-41.

17. Baust, J. M., Campbell, L. H., & Harbell, J. W. (2017). Best practices for cryopreserving, thawing, recovering, and assessing cells. In Vitro Cellular & Developmental Biology-Animal, 53, 855-871.

18. Robilotto, Anthony T., John M. Baust, Robert G. Van Buskirk, and John G. Baust. "Models and mechanisms of tissue injury in cryosurgery." Theory and Applications of Heat Transfer in Humans 2 (2018): 591-617.

19. Meneghel J, Kilbride P, Morris GJ. Cryopreservation as a key element in the successful delivery of cell-based therapies—a review. Frontiers in medicine. 2020 Nov 26;7:592242.