저온생물학

Cryobiology

저온생물학은 지구 극저온권 내의 생물이나 과학에 대한 저온의 영향을 연구하는 생물학의 한 분야이다.저온생물학이라는 단어는 그리스어 ρςςς[크리오스], "cold", βίςς[바이오스], "생명" 및 " andς[로고스], "단어"에서 유래했다.실제로, 저온 생물학은 생물학적 물질이나 시스템을 정상보다 낮은 온도에서 연구하는 것이다.연구된 물질이나 시스템은 단백질, 세포, 조직, 장기 또는 전체 유기체를 포함할 수 있다.온도는 적당한 저체온 상태부터 극저온 온도까지 다양합니다.

연구 분야

저온생물학의 적어도 6가지 주요 영역이 식별될 수 있다. 1) 미생물, 식물 및 동물, 무척추동물, 척추동물의 냉적응 연구(동면 포함), 2) 냉각에 의한 장기 보관을 위한 세포, 조직, 배우자 및 동물 및 인간 유래 배아의 저온 보존 연구(의학적 목적)물의 빙점 이하의 온도이것은 보통 냉동 및 해동 중에 세포를 보호하는 물질(저체온제), 3) 이식을 위한 저체온 조건 하에서 장기 보존, 4) 의약품의 동결(냉동 건조), 5) 저온 수술, (최소한) 저체온 조직을 파괴하기 위한 침습적 접근, 5) 저체온 치료, 냉동 보존을 필요로 한다.생물학적 시스템에 적용되는 과냉각, 얼음 핵 생성/성장 및 냉각 및 온난화 중 열 전달의 기계적 공학적 측면의 유전 가스/가스와 6) 물리학.비록 이것은 아직 발명되지 않은 투기적인 기술에 크게 의존하는 주류 저온생물학의 일부가 아니지만, 저온 보존학인 인간과 포유류의 저온 보존학이 저온 생물학에 포함될 것이다.이러한 연구 영역 중 일부는 매우 낮은 온도의 생산과 사용을 연구하는 물리학과 공학 분야인 저온학에 의존하고 있습니다.

자연 저온 보존

많은 생물들은 물의 어는점 이하의 온도에서 오랜 시간을 견딜 수 있다.대부분의 생물들은 날카로운 얼음 결정으로 인한 서리 피해로부터 자신들을 보호하기 위해 항핵 단백질, 폴리올, 포도당과 같은 동결 보호제를 축적한다.특히 대부분의 식물은 -4°C에서 -12°C의 온도에 안전하게 도달할 수 있다.

박테리아

카르노박테리움 플레이스토세늄, 크리서박테리움 그린란드엔시스, 헤르미니모나스 글라시에이 등 3종의 박테리아가 얼음 속에서 수천 년 동안 생존했다가 되살아난 것으로 알려졌다.특정 박테리아, 특히 Pseudomonas syringae는 약 -2°C에서 다양한 [1]과일과 식물의 표면에 얼음을 형성하기 위해 사용하는 강력한 얼음 핵 생성기 역할을 하는 특수 단백질을 생산한다.동파는 상피 손상을 일으키고 밑에 [2]있는 식물 조직의 영양분을 박테리아가 이용할 수 있게 만든다.리스테리아는 -1.5°C의 낮은 온도에서 천천히 자라고 냉동 [3]식품에서는 한동안 지속됩니다.

식물

많은 식물들은 경화라고 불리는 과정을 거치는데, 이것은 그들이 몇 주에서 몇 달 동안 0°C 이하의 온도에서 살아남을 수 있게 해줍니다.

동물

무척추동물

0°C 이하에서 생존하는 선충으로는 Trichostrongylus colubriformis와 Panagrolaimus davidi가 있다.바퀴벌레 님프는 영하 6도에서 영하 8도의 짧은 냉동 기간 동안 생존합니다.붉은색 납작한 나무껍질 딱정벌레(Cucujus clavipes)는 -150°[4]C까지 얼린 후 생존할 수 있습니다.곰팡이 gnat Exechia nugatoria는 머리가 아닌 체내에 얼음 결정이 형성되는 독특한 메커니즘에 의해 -50 °C까지 냉동된 후 생존할 수 있습니다.또 다른 얼음을 견디는 딱정벌레는 우피스 세라마보이드이다.[5]곤충의 겨울 생태와 부동단백질을 살펴보세요.-273°C까지의 온도에 잠시 내성이 있는 또 다른 무척추동물은 지각동물이다.

선충인 해몬쿠스 콘토르투스의 유충은 영하 196도에서 냉동된 채 44주 동안 생존할 수 있다.

척추동물

나무개구리(라나실바티카)는 겨울에 몸의 45%가 얼어서 얼음으로 변할 수 있다."얼음 결정체는 피부 아래에 형성되어 몸의 골격 근육 사이에 삽입됩니다.얼어붙는 동안 개구리의 호흡, 혈류, 심장 박동이 멈춘다.냉동은 세포 내 동결과 탈수를 [6][7]막아주는 특화된 단백질과 포도당에 의해 가능합니다.이 나무 개구리는 영하 4도에서 얼려진 상태로 11일까지 생존할 수 있습니다.

0°C 미만의 체온에서 생존하는 다른 척추동물로는 색칠 거북이(Crysemys picta), 회색 나무 개구리(Hyla verscolor), 박스 거북이(Terapene Carolina - 48시간 - 2°C에서), 봄철새(Pseudeacris Cris Crister), 가터뱀(Thamnophis sirtalis - 1시간 - 1.5°C에서 24시간), 코러스 개구리(C에서 생존) 등이 있다.(살라만드렐라 키젤링기 - -15.3°[8]C에서 24시간), 유럽 일반 도마뱀(라세르타 비비파라)[9][10] 및 파고테니아 보르흐그레빈키와 같은 남극 물고기.이러한 어류로부터 복제된 부동단백질은 트랜스제닉 [citation needed]식물에 내상성을 부여하기 위해 사용되어 왔다.

북극 땅다람쥐의 복부 온도는 -2.9°C(26.8°F)로 낮을 수 있으며, 머리와 목의 온도는 0°C 이상으로 유지되지만 [11]한 번에 3주 이상 복부 온도를 유지할 수 있습니다.

응용 저온생물학

이력

보일

저온생물학의 역사는 고대까지 거슬러 올라갈 수 있다.기원전 2500년 초에 이집트에서 저온이 의학에 사용되었다.히포크라테스는 출혈과 붓기를 멈추기 위해 감기 사용을 권고했다.현대 과학의 출현과 함께, 로버트 보일은 낮은 온도가 동물에 미치는 영향을 연구했다.

1949년 크리스토퍼 [12]폴지가 이끄는 과학자 팀에 의해 황소 정액이 처음으로 동결 보존되었다.이것은 오늘날 저온에서 일상적으로 보관되는 많은 장기, 조직 및 세포와 함께 저온 보존의 사용을 훨씬 더 광범위하게 이끌었다.심장과 같은 큰 장기는 보통 이식을 위해 차갑지만 얼지 않는 온도에서 짧은 시간 동안만 보관되고 운반됩니다.세포 현탁액(혈액 및 정액)과 얇은 조직 부분은 액체 질소 온도(크리오 저장)에 거의 무기한으로 저장될 수 있습니다.인간의 정자, 난자, 배아는 출산 연구와 치료에 정기적으로 저장된다.속도 조절과 느린 동결은 1984년 최초의 인간 배아 냉동 출생(Zoe Leyland)을 가능하게 한 1970년대 초에 개척된 잘 확립된 기술이다.그 이후로, 프로그램 가능한 단계 또는 제어된 속도를 사용하여 생물학적 샘플을 동결하는 기계는 인간, 동물, 세포 생물학에 사용되어 왔습니다. 즉, 샘플이 액체 질소에 완전히 동결되거나 저온 보존되기 전에 최종적인 해빙을 위해 더 잘 보존하기 위해 샘플을 "냉동"시키는 것입니다.이러한 기계는 난모세포, 피부, 혈액제제, 배아, 정자, 줄기세포, 일반 조직 보존을 위해 병원, 수의사, 연구소에서 사용된다.'느린 냉동' 배아를 통한 정상 출산의 수는 약 3백만 명으로 추정되는 체외 수정 출산의 약 30만 명에서 40만 명 또는 20%이다.호주의 Christopher Chen 박사는 1986년 영국의 통제된 냉동고에서 천천히 냉동된 난모세포를 사용하여 세계 최초로 임신했다고 보고했다.

저온 수술(얼음 형성에 의해 의도되고 통제된 조직 파괴)은 1845년 암환자에 대한 수술로 제임스 아르노트에 의해 수행되었다.


보존 기술

응용과학으로서의 저온생물학은 주로 저온 보존과 관련이 있다.저체온 저장고는 일반적으로 0°C 이상이지만 포유류의 체온(32°C ~ 37°C) 미만이다.반면, 저온 보존에 의한 보관은 -80 ~ -196 °C 온도 범위입니다.장기, 조직은 저체온 저장의 대상인 반면, 단일 세포는 가장 흔한 저온 보존 대상이었다.

저체온 저장소의 경험적 규칙은 온도가 10°C 감소할 때마다 산소 [13]소비량이 50% 감소하는 것입니다.비록 겨울잠을 자는 동물들이 저체온증, 저체온 장기, 그리고 이식용으로 유지되는 조직과 관련된 신진대사의 불균형을 피하기 위해 적응하는 메커니즘을 가지고 있지만, 산증, 저체온증, 나트륨 펌프 활동에 대항하기 위한 특별한 보존 솔루션이 필요합니다.세포 내 칼슘이 증가했습니다.이를 위해 Viaspan(위스콘신 대학 솔루션), HTK, Celsior와 같은 특수 장기 보존 솔루션이 설계되었습니다.[14]이 용액들은 또한 활성산소에 의한 손상을 최소화하고, 부종을 예방하고, ATP 손실을 보상하는 성분들을 포함하고 있습니다.

세포의 저온 보존은 미국 저온생물학자 피터 마주어의 "2요소 가설"에 의해 유도되는데, 이 가설은 지나치게 빠른 냉각은 세포 내 얼음 형성에 의해 세포를 죽이고, 지나치게 느린 냉각은 전해질 독성이나 기계적 [15]분쇄에 의해 세포를 죽인다.천천히 냉각하는 동안, 얼음은 세포 밖에서 형성되어 물이 세포에서 삼투압적으로 빠져나가게 하고, 그 결과 세포에서 수분을 제거한다.세포내 얼음은 세포외 얼음보다 훨씬 더 해로울 수 있다.

적혈구의 경우 최적 냉각 속도가 매우 빠른 반면(초당 100°C 가까이), 줄기세포의 경우 최적 냉각 속도가 매우 느리다(분당 1°C).디메틸 술폭시드와 글리세롤과 같은 동결방지제는 세포가 얼지 않도록 보호하는데 사용된다.다양한 종류의 세포가 10% 디메틸 [16]술폭시드에 의해 보호된다.저온생물학자들은 저온 보호제 농도(얼음 형성과 독성 모두 최소화)와 냉각 속도를 최적화하려고 시도합니다.셀은 액체 질소에 투입되기 전에 -30~-40°C의 온도로 최적의 속도로 냉각될 수 있다.

느린 냉각 방법은 세포에 핵물질이 거의 없지만 적당히 탈수된 세포에서 얼음이 형성되는 것을 막을 수 있는 자연적으로 발생하는 유리화 물질을 포함하고 있다는 사실에 의존합니다.일부 냉동 생물학자들은 세포, 조직, 장기의 보존에서 완전한 유리화(얼음 생성 제로)를 위해 저온 보호제의 혼합물을 찾고 있다.유리화 방법은 독성을 최소화할 수 있는 저온 보호제 혼합물을 찾는 데 어려움이 있다.

인간에게는

인간 생식체와 2세포, 4세포 및 8세포 배아는 잘 통제된 실험실 [17]조건에서 -196°C에서 10년 동안 저온 보존 상태를 유지할 수 있다.

불임과 관련된 인간의 저온 보존은 동결을 통한 배아, 정자 또는 난모세포의 보존을 포함한다.체외 수정은 정자가 해동되어 신선한 난자에 도입될 때 시도되고, 냉동 난자는 해동되어 난자와 함께 정자가 놓여지고, 함께 자궁에 다시 놓이거나 냉동 배아가 자궁에 도입될 때 시도된다.유리화는 결점이 있고 수정 정자, 난자, 배아를 냉동하는 것만큼 신뢰성이 없거나 증명되지 않는다. 왜냐하면 계란만 온도에 극도로 민감하기 때문이다.많은 연구자들은 또한 난소 조직이 자궁으로 다시 이식되어 정상적인 배란 주기를 자극할 수 있기를 바라며 난소와 함께 난소 조직을 동결시키고 있다.2004년 벨기에 루뱅의 도네즈는 냉동 난소 조직으로부터 난소를 성공적으로 출산했다고 보고했다.1997년, 호지킨 림프종에 걸린 여성으로부터 난소 피질 샘플을 채취하여 (Planer, UK) 제어 속도의 냉동고에 저온 보존한 후 액체 질소에 저장했습니다.화학요법은 환자가 조기 난소 기능 부전을 겪은 후에 시작되었다.2003년에는 동결절단 후 난소피질조직의 직교성 자가이식이 복강경 검사를 통해 이루어졌으며 5개월 후 재이식 징후는 규칙적인 배란주기의 회복을 나타냈다.재이식 후 11개월 후 자궁 내 임신 가능성이 확인되었으며, 이는 타마라라는 [18]이름의 첫 번째 살아있는 출산을 낳았다.

예를 들어 차가운 심장(얼음이 형성되지 않은 차가운 관류로 인해 발생하는)에 대한 심장 수술 중 치료용 저체온증은 훨씬 더 오랜 수술을 가능하게 하고 환자의 회복 속도를 향상시킨다.

과학회

한랭생물학회는 1964년 저온 현상이 생물 시스템에 미치는 영향에 대한 공통의 관심을 가진 생물학, 의학, 그리고 물리 과학자들을 모으기 위해 설립되었다.2007년 현재 전 세계에서 약 280명의 회원이 있으며, 그 중 절반이 미국에 근거지를 두고 있다.이 학회의 목적은 저온생물학의 과학적 연구를 촉진하고, 이 분야의 과학적 이해를 증진시키고, 이 지식을 보급하여 인류의 이익을 위해 적용하는 것입니다.협회는 모든 회원들에게 그들의 전문활동 수행에 있어 최고의 윤리적, 과학적 기준을 요구한다.협회의 규약에 따르면, 협회에 해가 된다고 생각되는 행위가 있는 신청자에게는 회원 자격을 거부할 수 있다.1982년에는 냉동주의자였던 일부 회원들의 반대에도 불구하고, "죽은 사람을 소생시킬 수 있는 어떠한 관행이나 적용"을 제외하도록 규약이 개정되었다.제리 리프.[19]이 학회는 저온 생물학의 모든 측면을 다루는 연례 과학 회의를 조직한다.이 국제회의에서는 최신 저온생물학 연구에 대한 발표와 토론의 기회와 심포지엄 및 워크숍을 통해 구체적인 측면을 검토할 수 있습니다.회원들은 또한 Society 뉴스레터인 News Notes를 통해 뉴스와 곧 있을 회의에 대한 정보를 계속 받는다.2011-2012년 저온생물학회의 회장은 존 H.[20] 크로우였습니다.

저온 생물학 협회는 1964년에 설립되었고 2003년에 모든[21] 종류의 유기체와 그 구성 세포, 조직, 장기에 대한 저온의 영향에 대한 연구를 촉진하기 위한 목적으로 등록 자선 단체가 되었다.2006년 현재 협회는 약 130명의 회원(대부분 영국과 유럽)을 보유하고 있으며 적어도 한 번의 연례 총회를 개최하고 있다.이 프로그램에는 보통 주제 심포지엄과 저온생물학의 모든 측면에 대한 자유로운 커뮤니케이션 세션이 포함된다.최근의 심포지엄에는 장기적인 안정성, 수생 생물 보존, 배아 및 배우자 동결 보존, 식물 보존, 저온 현미경 검사, 유리화(냉각 중 수계 유리 형성), 동결 건조 및 조직 뱅킹이 포함되어 있다.회원들은 현재 1년에 세 번 발행되는 Society Newsletter를 통해 정보를 받는다.

일지

저온생물학(출판사: Elsevier)은 매년 약 60편의 논문이 발표되는 이 분야 최고의 과학 출판물이다.저온 생물학 및 의학(예: 냉동, 동결 건조, 동면, 동면, 내한성 및 적응, 저온성 화합물, 저온성 수술, 저체온증 및 장기 관류)의 모든 측면에 관한 기사입니다.

Cryo Letters는 저온이 다양한 생물물리학적 및 생물학적 과정에 미치는 영향 또는 생물학적 및 생태학적 토픽의 조사에 저온 기술을 포함하는 연구에 관한 논문을 발행하는 영국에 기반을 둔 독립적인 신속한 커뮤니케이션 저널입니다.

생물 보존 및 바이오 뱅킹(구 세포 보존 기술)은 Mary Ann Liebert, Inc.에 의해 발행되는 동료 검토 분기별 과학 저널로, 동결 보존, 건조 상태(비수체), 유리 상태 및 저체온 유지 등 다양한 보존 기술에 전념하고 있습니다.세포보존기술은 생물보존 및 바이오뱅킹으로 명칭이 변경되었으며 국제생물환경저장소협회의 공식 저널입니다.

저온생물학과 저온의학 문제 연구소가 발간한 '저온생물학과 저온의학 문제' (구 '크리오바이올로지야'(1985-1990)와 '저온생물학의 문제'(1991-2012)이 저널은 저온 생물학, 의학, 공학에 관련된 모든 주제를 다룬다.[22]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Maki LR, Galyan EL, Chang-Chien MM, Caldwell DR (1974). "Ice Nucleation Induced by Pseudomonas syringae". Applied Microbiology. 28 (3): 456–459. doi:10.1128/aem.28.3.456-459.1974. PMC 186742. PMID 4371331.
  2. ^ Zachariassen KE, Kristiansen E (2000). "Ice nucleation and antinucleation in nature". Cryobiology. 41 (4): 257–279. doi:10.1006/cryo.2000.2289. PMID 11222024.
  3. ^ "Food Safety Watch". Archived from the original on 2013-07-29. Retrieved 2013-09-12.
  4. ^ Rozell, Ned (May 30, 2009). "Scientist finds fungus gnats survive winter half-frozen". Anchorage Daily News. Archived from the original on 2009-09-23.
  5. ^ Rozell, Ned (October 17, 2007). "Alaska beetles survive 'unearthly' temperatures". Alaska Science Forum. Archived from the original on 2010-01-17. Retrieved 2009-10-26.
  6. ^ Kiehl, Katie. "Lithobates sylvaticus (Wood Frog)". Animal Diversity Web.
  7. ^ Fahrenthold, David A. (December 14, 2004). "Looking to frozen frogs for clues to improve human medicine". The Washington Post via The Seattle Times. Archived from the original on 2004-12-14.
  8. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2008-12-28. Retrieved 2009-10-27.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  9. ^ "FREEZE TOLERANT VERTEBRATES". Archived from the original on 2009-07-27. Retrieved 2009-10-26.
  10. ^ "Cryobiology". www.units.miamioh.edu.
  11. ^ Barnes, Brian M. (30 June 1989). "Freeze Avoidance in a Mammal: Body Temperatures Below 0°C in an Arctic Hibernator" (PDF). Science. 244 (4912): 1521–1616. Bibcode:1989Sci...244.1593B. doi:10.1126/science.2740905. PMID 2740905. Archived from the original (PDF) on 2008-12-16. Retrieved 2008-11-23.
  12. ^ C. Polge, AU Smith, AS Parkes, 정자의 부활 저온에서 효과적인 유리화 및 탈수, 164(1949), 페이지 666
  13. ^ Raison JK (1973). "The influence of temperature-induced phase changes on the kinetics of respiratory and other membrane-associated enzyme systems". J Bioenerg. 4 (1): 285–309. doi:10.1007/BF01516063. PMID 4577759. S2CID 198194950.
  14. ^ Mühlbacher F, Langer F, Mittermayer C (1999). "Preservation solutions for transplantation". Transplant Proc. 31 (5): 2069–70. doi:10.1016/S0041-1345(99)00265-1. PMID 10455972.
  15. ^ Mazur P (1977). "The role of intracellular freezing in the death of cells cooled at supraoptimal rates". Cryobiology. 14 (3): 251–72. doi:10.1016/0011-2240(77)90175-4. PMID 330113.
  16. ^ Hunt CJ, Armitage SE, Pegg DE (2003). "Cryopreservation of umbilical cord blood: 1. Osmotically inactive volume, hydraulic conductivity and permeability of CD34(+) cells to dimethyl sulphoxide". Cryobiology. 46 (1): 61–75. doi:10.1016/S0011-2240(02)00180-3. PMID 12623029.
  17. ^ "Freezing". Pacific Fertility Center. 2010. Retrieved 2010-02-28.
  18. ^ "Livebirth after orthotopic transplantation of cryopreserved ovarian tissue" (PDF). J Donnez, M M Dolmans, D Demylle, P Jadoul, C Pirard, J Squifflet, B Martinez-Madrid, A Van Langendonckt. 2004. Retrieved 2015-01-02.
  19. ^ Darwin, Mike (1991). "Cold War: The Conflict Between Cryonicists and Cryobiologists". Cryonics. Alcor Life Extension Foundation. Retrieved 2009-08-24.
  20. ^ "Officers & Governors". Society for Cryobiology. Archived from the original on 2006-09-27. Retrieved 2010-03-13.
  21. ^ (영국 웨일스 자선위원회 제1099747호)
  22. ^ "Problems of Cryobiology and Cryomedicine". Retrieved 28 May 2022.

외부 링크

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