Успешная обратимая криоконсервация эмбрионов рыб.

Более 60 лет подряд учёные пытались законсервировать эмбрионы рыбы данио-рерио при помощи криотехнологий. Эта рыбка часто используется в качестве модельного животного в исследованиях, связанных со здоровьем человека.

* Да́нио-ре́рио, (лат. Danio rerio) – вид пресноводных лучепёрых рыб семейства карповых. Популярная аквариумная рыбка. Является модельным организмом в биологии развития и известна в англоязычной литературе как zebrafish. В отечественной научной литературе устоявшегося, удачного термина для этого вида нет (однако часто используются названия зебрафиш, данио-рерио и полосатый данио). В отечественной нейробиологической литературе также используется термин зебраданио. Данио-рерио является первым домашним животным, генетически модифицированным геном зеленого флуоресцентного белка в 2003 году.

Природный Данио рерио, обитает в реках Индии и Бангладеш. Он имеет размер порядка трёх сантиметров в длину и золотые и синие полосы, расположенные вдоль тела.

Danio rerio был предложен Джорджем Стрейсингером в качестве модели для изучения эмбрионального развития и функций генов позвоночных. Важность этого модельного организма была подтверждена многими генетическими исследованиями. При изучении биологии развития Danio rerio имеет некоторые преимущества перед другими позвоночными. Эмбрион развивается быстро и проходит стадии от яйца до личинки всего за три дня. Эмбрионы крупные, выносливые, крепкие, прозрачные и развиваются вне матери, что облегчает манипуляции с ними и наблюдение.

Существует значительный потенциал в использовании Danio rerio в качестве модели для фенотипического скрининга потенциальных лекарственных веществ благодаря скорости и удобству работы с ними. Несмотря на довольно низкое сходство между человеком и рыбами, многие системы этих организмов, в частности, сердечнососудистая система, взаимодействуют с низкомолекулярными соединениями аналогичным образом. Достоверные результаты могут быть получены при исследовании фармакокинетики и токсичности препаратов. Методами генной инженерии могут быть разработаны линии Danio rerio, специфично имитирующие различные заболевания человека.

Это один из немногочисленных видов рыб, которые использовались в экспериментах в космосе. Их запускали на станции МКС и Салют-5.

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.

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. 

  «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. – Чтобы заставить что-либо работать при таких низких температурах обычно требуется немного смекалки. Поэтому 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».

Успешная криоконсервация требует охлаждения эмбриона до криогенно стабильного состояния, затем его нагревания со скоростью, превышающей скорость охлаждения, и использования криопротектора, чтобы остановить рост кристаллов льда. Однако эмбрионы рыб очень большие, что затрудняет их быстрое нагревание и позволяет избежать образования кристаллов льда. Кроме того, поскольку водным животным необходимо выживать в суровых условиях, их эмбриональные мембраны в основном непроницаемы и блокируют выход криопротекторов.

Лазерная нанотехнология частиц золота,  – быстро развивающаяся технологическая область, имеющая решающее значение для успеха исследований и имеющая широкий спектр биомедицинских применений.  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. 

 

Эмбрионы, прошедшие этот процесс, продолжали развиваться, по крайней мере, до 24-часовой стадии, когда у них развились сердце, жабры, мускулатура хвоста. Они двигались, доказывая свою жизнеспособность после оттаивания. Далее авторы исследования стремятся усовершенствовать процесс, чтобы гарантировать, что они смогут увеличить выживаемость эмбрионов. Они также изучают возможность автоматизации процесса, чтобы увеличить количество эмбрионов, успешно размороженных одновременно.

Поскольку эмбрионы других водных животных – рыб, амфибий и кораллов – очень похожи на эмбрионы рыб данио-рерио, эта технология непосредственно применима к криоконсервации эмбрионов многих видов. Технология также может быть адаптирована для криоконсервирования эмбрионов рептилий и птиц и улучшения процесса криоконсервирования эмбрионов млекопитающих, включая гигантских панд и крупных кошек.

Это изображение иллюстрирует первое в истории воспроизводимое свидетельство успешного криоконсер-вирования эмбрионов рыбок данио-рерио, и это имеет глубокие последствия для здоровья человека, охраны дикой природы и аквакультуры. [Черно-белое изображение эмбриона рыбы-зебры под микроскопом]