Kryokonservierung

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Konservierung von Pflanzenproben
Stickstofftank

Unter Kryokonservierung (von griechisch κρύος, krýos „Kälte“ und lateinisch conservare „erhalten, bewahren“) versteht man das Aufbewahren von Zellen oder Gewebe durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, die Vitalität der Zellen nahezu unbegrenzt aufrechtzuerhalten, obgleich das biologische System in den Aggregatzustand eines Festkörpers übergeht. Kryokonservierung kann sowohl bei Pflanzenzellen als auch bei tierischen Zellen angewandt werden, beim Menschen zum Beispiel auch bei Spermien, Eizellen und Embryonen. Die Lagerung findet in sogenannten Kryobanken statt.

Die konservierten Zellen können so über einen sehr langen Zeitraum in einer Art Kältestarre erhalten werden, in der alle Stoffwechselvorgänge nahezu zum Stillstand kommen. Nach dem Auftauen können die Zellen ihre normalen physiologischen Prozesse wieder aufnehmen. Embryonen können dann zum Beispiel in die Gebärmutterhöhle transferiert werden.

Einzelne Zellen können so schnell eingefroren werden, dass das Wasser nur kleine Eiskristalle bildet. Bei größeren, mehrzelligen Organismen bilden sich beim Einfrieren jedoch aufgrund der zu geringen Temperaturabsenkung im Kern Eiskristalle, die so groß werden, dass sie die Zellwände durchbrechen und damit irreparabel zerstören. Das Einfrieren von Erdbeeren im Gefrierschrank verdeutlicht die Zellschädigungen beim Einfrieren anschaulich: Nach dem Auftauen wirken die Erdbeeren matschig – sie haben Wasser verloren, das aus den beschädigten Zellen ausgetreten ist.

Kryokonservierung funktioniert heutzutage bei Zellproben bis hin zu kleinen Organen, wenn man unter Zuhilfenahme des richtig abgestimmten Frostschutzmittels die Proben sehr schnell einfriert, also zum Beispiel mit flüssigem Stickstoff auf 77 K (−196 °C) abkühlt (verglasen). Verschiedene Moose können so bei −135 °C mehrere Jahre kryokonserviert werden, ohne ihre Regenerationsfähigkeit zu verlieren.[1]

Es gibt Frösche wie den Waldfrosch oder Insekten wie die Gallmücke, die ein Einfrieren im Winter bis zu einer bestimmten kritischen Temperatur aufgrund eines körpereigenen Frostschutzmittels (Harnstoff) überleben. Größere Organe und Organismen erleiden beim Kryokonservieren jedoch Schäden, die nicht mit heutigen Mitteln behoben werden können. Ein Erfolg oder Misserfolg von Kryonik wird sich daher erst rückblickend beurteilen lassen.

In der Biochemie werden Zellen zur Kryokonservierung meist in einem Einfriermedium aus dem Kulturmedium mit Dimethylsulfoxid eingefroren,[2] z. B. in Kulturmedium mit 20 % (V/V) FCS und 10 % (V/V) DMSO. Teilweise wird an Stelle des DMSO auch Ethylenglykol verwendet.[3][4] Bei einer Vitrifikation wird dagegen versucht die Ausbildung von Eiskristallen beim Kühlen ganz zu vermeiden, z. B. mit konzentrierten Glycerollösungen (17 Mol pro Kilogramm).[5]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Schulte, J., R. Reski (2004): High-throughput cryopreservation of 140000 Physcomitrella patens mutants. Plant Biol. 6, 119–127. PMID 15045662.
  2. Z. Shu, S. Heimfeld, D. Gao: Hematopoietic SCT with cryopreserved grafts: adverse reactions after transplantation and cryoprotectant removal before infusion. In: Bone marrow transplantation. Band 49, Nummer 4, April 2014, S. 469–476, doi:10.1038/bmt.2013.152, PMID 24076548, PMC 4420483 (freier Volltext).
  3. Y. Agca, J. Liu, A. T. Peter, E. S. Critser, J. K. Critser: Effect of developmental stage on bovine oocyte plasma membrane water and cryoprotectant permeability characteristics. In: Molecular reproduction and development. Band 49, Nummer 4, April 1998, S. 408–415, doi:10.1002/(SICI)1098-2795(199804)49:4<408::AID-MRD8>3.0.CO;2-R, PMID 9508092.
  4. J. A. Bautista, H. Kanagawa: Current status of vitrification of embryos and oocytes in domestic animals: ethylene glycol as an emerging cryoprotectant of choice. In: The Japanese journal of veterinary research. Band 45, Nummer 4, Februar 1998, S. 183–191, PMID 9553322.
  5. A. F. Davidson, C. Glasscock, D. R. McClanahan, J. D. Benson, A. Z. Higgins: Toxicity Minimized Cryoprotectant Addition and Removal Procedures for Adherent Endothelial Cells. In: PloS one. Band 10, Nummer 11, 2015, S. e0142828, doi:10.1371/journal.pone.0142828, PMID 26605546, PMC 4659675 (freier Volltext).