Реальна ли обратимая заморозка животных?

Среди часто задаваемых вопросов, один не теряет своей актуальности: есть ли примеры обратимой заморозки каких-либо достаточно крупных животных. К сожалению, на сегодняшний день технологии крионирования и разморозки не достигли того уровня, чтобы можно было разработать протоколы такой операции.

Охлаждение и замораживание/размораживание биологических организмов происходит совершенно по-разному и с разными результатами. Это зависит от того, какой организм рассматривается (или орган), а также от того, до какой температуры охлаждалось тело и по какой технологии. 

Так, многие мелкие организмы без применения каких-либо криобиологических технологий сами по себе могут переносить пребывание в жидком азоте и даже в  открытом космосе. Таковы, например тихоходки (тардиграды), пиявки вида Ozobranchus jantseanus, червь нематода (этого случая мы отдельно коснемся ниже).

Другие мелкие животные  выдерживают замораживание до разных температур после применения специальных методов. Так, например, в 2012г. Коллектив ученых под руководством Владимира Коштала (Vladimir Kostal) из университета Южной Богемии в городе Ческе-Будейовице (Чехия) смог успешно заморозить и вернуть жизнь нескольким личинкам мушек-дрозофил (Drosophila melanogaster), которые не умеют переносить холод в природных условиях.

Хорошо ученые умеют замораживать/размораживать различные клетки организмов (например, сперматозоиды), икру рыб, части ткани яичника, сосудов.  Некоторые их этих процедур уже прочно вошли в медицинскую и научную практику. Например, еще с начала 1950-х годов бычью сперму успешно криосохраняют, а затем используют для осеменения.

Также широко известно, что есть ряд животных, которые самопроизвольно впадают в спячку, например, большинство беспозвоночных, пресмыкающихся, земноводных, некоторые виды рыб, птиц (козодои), многие виды грызунов, насекомоядных (ежи), рукокрылых, неполнозубых и другие млекопитающие, в том числе и некоторые приматы (лемуры).

 13 июля 2017 года в статье, опубликованной в ACS Nano, Смитсоновский институт биологии сохранения (Smithsonian Conservation Biology Institute) и Университет Миннесоты (University of Minnesota) предоставили первые в истории воспроизводимые доказательства успешного криоконсервирования эмбрионов рыбок данио-рерио, что не удавалось сделать раньше из-за особенностей строения их оболочек. Ученым впервые удалось провести успешную криоконсервацию эмбрионов рыбки данио. В ходе работы учёные использовали наночастицы золота и лазер, чтобы разморозить эмбрионы. Предыдущие исследователи потерпели неудачу именно на этом этапе.   

«Несомненно, что использование этой технологии, по сути, представляет собой сдвиг парадигмы в криоконсервации и сохранении многих видов диких животных, – рассказывает соавтор исследования Мэри Хагедорн (Mary Hagedorn), исследовательница из института консервационной биологии. – Мы использовали уникальный подход, соединив биологию и существующие технологии. И нам удалось сделать то, что ранее было невозможным: успешно заморозить и разморозить эмбрион таким образом, что после процедуры он не разрушился, а начал развиваться».

Эмбрионы охладили до температуры жидкого азота со скоростью 90 тысяч градусов в минуту, а для разогрева использовали луч лазера, который ударил по зародышу в самый момент его извлечения из жидкого азота. Наночастицы золота в криопротекторе помогли сделать разогрев «объемным» и практически мгновенным – 14 миллионов градусов в минуту. 

А вот технология обратимой заморозки до очень низких (их называют криогенными) температур органов и крупных организмов пока что не дается ученым. Хотя  и тут в последнее десятилетие есть прогресс.

 Прежде всего, надо сказать об обратимом замораживании в 2005г. почки кролика  известнейшим криобиологом Грегори Феем (Greg Fahy) из компании 21st Century Medicine (США).  В начале 2016г. стало известно о том, что опять-таки в США мозг кролика успешно заморозили и разморозили, не повредив нервные клетки. В мозг кролика вводился глутаральдегид, после чего орган в течение четырех часов охлаждался до -130 градусов, одновременно вводился жидкий криопротектор. При размораживании исследователи медленно нагрели мозг, а потом удалили криопротектор. Авторы поясняют, что в результате постепенного замораживания и аккуратного размораживания не был поврежден ни один синапс. Сохранность тканей мозга до и после процедуры была проанализирована с помощью электронной микроскопии

А в 2018 году компания  Arigos Biomedical сообщила, что нашла новый метод обратимой заморозки донорских органов, заполняя их кровеносные сосуды жидким гелием. Этот благородный газ нетоксичен для тканей и не взрывоопасен. Гелий отлично подходит для равномерного охлаждения органов и придает артериям и венам дополнительную амортизацию. Сотрудники Arigos доказали эффективность методики, разморозив почку свиньи, хранившуюся при температуре -120ºC. Анализ не выявил в органе никаких повреждений. Обнадеживающие результаты дал и опыт со свиным сердцем.

Тем не менее, насколько достоверно можно судить, ни  один относительно крупный теплокровный организм не был пока что обратимо заморожен до низких температур. Этому препятствует сложность процесса: при замораживании крупных биологических объектов проявляются дополнительные физические и химические факторы, отрицательное влияние которых не имеет значения  при криоконсервации (крионировании, замораживании) мелких объектов, таких как клетки или микроорганизмы.

Так что людей обратимо замораживают и размораживают сейчас только в виде эмбрионов, что является уже нормой при проведении ЭКО – процедуре искусственного оплодотворения. С 1982 года человеческие зародыши сохраняются в жидком азоте, а потом они успешно развиваются в нормальных детей. 

Современная наука пока не может реанимировать крионированных людей или других взрослых млекопитающих, однако, наука будущего, возможно, сможет это сделать, например, с использованием молекулярных технологий для исправления повреждений (включая нанотехнологии). Несмотря на то, что не существует прямых доказательств, что такая технология когда-либо появится, есть некоторые косвенные свидетельства, например, растущее понимание механизмов молекулярной биологии и увеличивающийся контроль над молекулами и атомами при производстве компьютерных чипов, есть первые протопиты нанороботов. 

А лазерная нанотехнология частиц золота, упоминавшаяся в исследованиях для разморозки эмбрионов рыбок данио – быстро развивающаяся технологическая область, которая вполне возможно разовьется до стадии, позволяющей проводить обратимую заморозку животных, а в будущем и человека.  Она впервые была использована для криоконсервации автором статьи Джоном Бишофом (John C Bischof) на факультете машиностроения Университета Миннесоты. Золотые наностержни – это крошечные цилиндрики из золота, которые преобразуют поглощенный свет (например, от лазера) в тепло. Авторы исследования ввели в эмбрионы криопротектор и наночастицы золота. При попадании луча лазера частицы золота равномерно передавали тепло по всему эмбриону, ускоряя процесс разогрева и, в сочетании с криопротектором, предотвращали образование смертоносных кристаллов льда. Далее работу этой методики ученые продемонстрировали, заморозив и разморозив несколько сердечных клапанов и артерий, извлеченных из сердца свиней. Как показали микроскопические исследования результатов экспериментов, подвергшиеся такой криоконсервации ткани и органы, были лишены повреждений и в целом не отличались по структуре от других частей сердца, не подвергавшихся заморозке.

Несмотря на все сложности, ученые, как мы это увидели, уверенно движутся по пути обратимого крионирования все более крупных биологических организмов.  Мы надеемся, что апофеозом развития криобиологии  станет обратимое замораживание человека и крупных животных. По крайней мере, до сих пор не выявлено никакого фундаментального закона природы, который бы это запрещал. Ведь нет и прямых доказательств, что люди когда-либо смогут совершить путешествие на Марс, но есть множество косвенных свидетельств, что подобное путешествие возможно...

Как можно было бы в будущем оживить криопациентов, ученые уже думали, и  есть даже не одна, а несколько концепций восстановления криопациентов.  Наверное, самая старая из них и одновременно самая распространенная – это концепция «отца нанотехнологий» Эрика Дрекслера (Kim Eric Drexler). Он описал ее в 1986 году в своей популярной книге о нанотехнологиях «Машины созидания».

В общих чертах, Дрекслер объяснил, что в будущем будут созданы очень маленькие (нано) роботы, которые могут внедряться в тело человека, например, с  помощью уколов, передвигаться с кровью и выполнять различные задачи в организме. Например, они смогут ремонтировать клетки мозга или всего тела, избавлять их от разрушений, произошедших из-за смерти или болезней. 

Такие нанороботы уже разрабатываются сейчас, их планируется использовать для лечения рака и повреждений мозга в результате инсультов. 

Давайте представим, что в скором времени будет создана технология идеального крионирования человека. Умерших людей будут замораживать, хранить, а в будущем триллионы нанороботов, как это описано в книге Дрекслера, будут внедрены в  отогретое тело криопациента, чтобы его лечить и восстанавливать.  Это не противоречит никаким научным концепциям. Более того, как мы уже сказали, создание нанороботов это реальная, зарождающаяся отрасль.