In 1949 gewann Chris Polge den Nobelpreis für Medizin für seine Fähigkeit, Spermien zu kryokonservieren oder einzufrieren. Seitdem haben Fortschritte in der Kryokonservierungstechnologie zum erfolgreichen Einfrieren und Auftauen menschlicher Embryonen und Eier geführt. Diese bekannte Technologie funktioniert auch bei ähnlichen Säugetieren und Wildtierarten. Bisher ist es Forschern jedoch aufgrund ihrer Größe nicht gelungen, Fischembryonen zu kryokonservieren.
In einer kürzlich herausgebrachten StudieForscher der University of Minnesota und des Smithsonian Conservation Biology Institute (SCBI) haben mithilfe neuer Goldnanotechnologie und Laser Embryonen von Zebrafischen kryokonserviert, deren Genome dem Menschen ähnlich sind. Die vollständigen Forschungsergebnisse sind im Fachjournal verfügbar ACS Nano.
Diese neue Technologie könnte dazu führen, dass vom Aussterben bedrohte Fischarten erneut bevölkert werden, dass das Wachstum von abbauenden Korallenriffen unterstützt wird und dass unser Verständnis der menschlichen Krankheit durch Fischforschungsmodelle verbessert wird.
Um einen Embryo effektiv zu kryokonservieren, müssen Wissenschaftler den Embryo traditionell auf einen stabilen Zustand abkühlen und ihn schneller wieder aufheizen, als er gekühlt wurde. Wissenschaftler injizieren häufig Kryoprotektiva (Frostschutzmittel) in den Embryo, um das Wachstum von tödlichen Eiskristallen zu verhindern, die sich während des Wiedererwärmungsprozesses bilden. Fischembryonen sind viel größer als menschliche Embryonen, daher dauert es im Allgemeinen lange, bis sie aufgetaut sind. Auch embryonale Membranen in Fischen sind meist undurchlässig und lehnen Kryoprotektiva häufig ab.
Diese jüngste Studie ist erfolgreich, da John Bischof, stellvertretender Direktor des Instituts für Ingenieurwissenschaften in der Medizin an der Universität von Minnesota und leitender Autor der Studie, eine neue Goldnanotechnologie entwickelt hat.
Goldnanopartikel sind winzige zylindrische Objekte, die absorbiertes Licht in Wärme umwandeln.
"Die neue Idee war, die winzigen Goldnanopartikel mit den Frostschutzmitteln in der Mikroinjektion zu paaren", erklärte Bischof gegenüber dem University Network (TUN). „Diese Goldpartikel sind extrem klein, biologisch inert und absorbieren sehr gut Laserlicht bestimmter Wellenlängen. Das meiste biologische Gewebe ist durchscheinend, daher benötigen wir diese Goldpartikel, um die Wärme des Lasers zu absorbieren und sie wieder an den Embryo abzugeben. “
Dank dieser neuen Technologie konnte das Team den Embryo mit einem starken Laserlichtstrahl in nur einer Tausendstelsekunde von -196 ° C auf 20 ° C erwärmen.
„Diese rasche Erwärmung hat das Wachstum von tödlichen Eiskristallen verringert, die beim Einfrieren und Aufwärmen entstehen können“, sagte Bischof. „Weil die Embryonen so groß waren, mussten wir sie mit Millionen von Grad pro Minute erwärmen. Wichtig ist, dass ohne diese Lasertechnik alle Embryonen nicht lebensfähig sind, aber mit der Lasernanopartikeltechnik entwickeln sich einige Embryonen zu 24-Stunden. “
Die Embryonen, die zu 24-Stunden reiften, entwickelten ein Herz, Kiemen, Schwanzmuskulatur und bewegten sich.
"Es besteht kein Zweifel, dass der Einsatz dieser Technologie auf diese Weise einen Paradigmenwechsel für die Kryokonservierung und den Schutz vieler Wildtierarten darstellt." sagte Mary Hagedorn, eine SCBI-Forscherin und Koautorin von Arbeiten, die seit 1992 an der Kryokonservierung von Zebrafischembryonen arbeitet. "Hier verfolgen wir einen einzigartigen Ansatz, indem wir Biologie mit einer aufregenden technischen Technologie kombinieren, um das zu tun, was bisher unmöglich war: Einen Fischembryo erfolgreich einzufrieren und aufzutauen, sodass sich der Embryo zu entwickeln beginnt, anstatt auseinanderzufallen."
Diese kürzlich durchgeführte Studie hat viele positive Auswirkungen auf die Zukunft. Bischof ist zuversichtlich, dass die Embryonen mit weiteren Modifikationen vollständig zu Fischen heranwachsen können. Sie könnten dann fortfahren, sich zu vermehren und erschöpfende Kolonien wieder zu bevölkern.
Da Fischembryonen in Form und Größe denen anderer Meerestiere und Amphibien ähneln, können Wissenschaftler diese Technologie zum Kryokonservieren von Eiern und Embryonen verwenden, um das Schrumpfen von Korallenriffen und Froschpopulationen zu unterstützen.
Darüber hinaus werden sich die Ergebnisse positiv auf drei Bereiche der menschlichen Bedürfnisse und Bemühungen auswirken. "Erstens wird es dazu beitragen, den für die Ernährung benötigten Fisch (durch Aquakultur) zu erhalten, zweitens wird es dazu beitragen, das Verständnis der menschlichen Krankheit zu verbessern, indem Fischforschungsmodelle für menschliche Krankheiten unterstützt werden, und drittens wird es dazu beitragen, die Erhaltung gefährdeter Arten zu unterstützen", sagte Bischof gegenüber TUN.
Andere Hauptautoren der Studie waren die University of Minnesota Ph.D. Studenten Kanav Khosla und Yiru Wang. Zusätzliche Hilfe kam von der ehemaligen University of Minnesota Ph.D. Student Zhenpeng Qin.
